Arterton ha iniziato la sua carriera di attrice nel 2007 con un piccolo ruolo nel film St Trinian's. Ha ottenuto riconoscimenti per i suoi ruoli nei film Quantum of Solace (2008), Prince of Persia:The Sands of Time (2010), Clash of the Titans (2010) e Hansel &Gretel:Witch Hunters (2013).
Arterton ha avuto successo anche sul palco. Ha fatto il suo debutto nel West End nel 2008 nella commedia La duchessa di Malfi. Da allora è apparsa in molte altre produzioni del West End, tra cui The Little Dog Laughed (2010) e Nell Gwynn (2016).
Nel 2010, Arterton ha vinto il BAFTA Rising Star Award. È stata anche nominata per due Olivier Awards.
Alcuni degli altri crediti cinematografici degni di nota di Arterton includono Tamara Drewe (2010), The Disappearance of Alice Creed (2009) e Their Finest (2016).
Nel 2020, Arterton ha recitato nel film Netflix The King's Man. È destinata a recitare nel film in uscita The Pale Blue Eye.
Arterton è sposato con l'attore Rory Keenan. Hanno due figli insieme.