Hija de la actriz de teatro y cine Blythe Danner (vista en películas de Woody Allen como "Otra mujer", "Alice" o "Maridos y mujeres") y del productor de televisión, Bruce Paltrow.

Hasta los 11 años vivió en Los Angeles, pero es entonces cuando la familia se muda a Nueva York. Tras graduarse en 1990 en el "Spence School" de New York, se instaló en Santa Bárbara (California) para estudiar Historia del Arte y Antropología en la Universidad de California. Pero lo dejó para dedicarse al cine. Se presentaba a todas las audiciones que podía.

Cuando junto a su padre y sus amigos, Steven Spielberg y su esposa Kate Capshaw, iban a ver "El Silencio de los Corderos", mientras esperaban en una fila para entrar, Spielberg le ofreció el papel de Wendy para su próxima producción, "Hook" (1991). Ese mismo año también intervino en la película "Grita", protagonizada por John Travolta.

Al año siguiente aceptó un rol protagónico en la miniserie para televisión, "Cruel Doubt". Luego, el papel de una estudiante en "Malice" (1993), junto a Nicole Kidman y Alec Baldwin, y el de novia de James Caan en "Como uña y carne".

Ya en 1994 apareció en "La señora Parker y el círculo vicioso" e interpretó a la hija de Nick Nolte en "Jefferson en París" (1995) y en el mismo año compartió junto a Elizabeth Perkins y Whoopi Goldberg en "Mujeres bajo la luna".

Su gran ocasión llegó en 1995, cuando protagonizó "Seven" de David Fincher. Durante el rodaje, junto a su co-protagonista, Brad Pitt, comenzó un romance que la llevaría a aparecer en revistas de todo el mundo. Así, en poco tiempo la empezaron a llamar "la novia de América" o "la Grace Kelly de los noventa", debido a su estilo de sencillez-elegante.

Alcanzó la fama con "Seven" y "Emma" pero logró subir al estrellato gracias a "Shakesperare enamorado" (1998), por la que consiguió el Oscar a la mejor actriz, así como un Globo de Oro.

"El talento de Mr. Ripley" o "Grandes esperanzas" contribuyeron a mejorar sus registros tanto como actriz como en las taquillas, siendo la segunda de las películas una pequeña peli de culto para jóvenes aficionados al cine.

Salió con Ben Affleck en 1998, con el que regresaría brevemente en el 2000 a tener una relación sentimental. Ha sido pareja del actor Luke Wilson y del director brasileño Walter Salles. Actualmente está casada con el líder de la banda británica Coldplay, Chris Martin, desde el 5 de Diciembre de 2003. Con él ha tenido dos hijos hasta la fecha.

Gwyneth habla español con fluidez ya que vivió como estudiante de intercambio en la localidad española de Talavera de la Reina que la ha nombrado Hija adoptiva. Entiende también el francés, aunque no lo domina completamente. También posee talento vocal, y gracias a esto interpretó las canciones "Bette Davis Eyes", "Just my imagination" junto a Babyface y "Cruising Together" junto a Huey Lewis, canciones pertenecientes a la banda sonora de la única película en la que participó junto a su padre, "Duets". Ha actuado junto a su madre en "Sylvia", donde interpreta a la poetisa americana Sylvia Plath, y en "Cruel Doubt". Además participó en la primera película de su hermano "The Good Night" estrenada en 2007 en el festival de cine de Sundance...