Nació el 28 de septiembre de 1973 en Los Ángeles (Estados Unidos). Hija de la actriz de teatro y cine Blythe Danner y del productor de televisión, Bruce Paltrow. Vivió en su ciudad natal hasta los once años, momento en que su familia se mudó a Nueva York. Su vida siempre estuvo ligada al arte, ya que desde pequeña veraneaba en Masachusett’s Berkshires, donde su madre actuaba. Su primera incursión en los escenarios la hizo a los 5 años. En 1991 comenzó a estudiar Historia del Arte en la Universidad de California de Santa Barbara. Cuando junto a su padre y sus amigos, Steven Spielberg y Kate Capshaw, iban a ver "El Silencio de los Inocentes", mientras esperaban en una fila para entrar, Spielberg le ofreció el papel de Wendy para su próxima producción, "Hook" (1991). 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 "Flesh and Bone". Ya en 1994 apareció en "Vicious Circle" 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 "Moonlight and Valentino". 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. En 1996 trabajó en The Pallbearer y más tarde, en la adaptación de la novela de Jane Austen, "Emma"; su primer protagónico importante. James Cameron le ofreció el papel de ‘Rose’en "Titanic" (papel que interpreta Kate Winslet), pero no lo aceptó. En 1998, actúo junto a Ethan Hawke y Robert De Niro en "Grandes Esperanzas", después hizo de nuera de Jessica Lange en "Hush" y tuvo que cambiar su look para "Sliding Doors". Luego tomó el papel de mujer adúltera, originalmente interpretado por Grace Kelly en "La llamada fatal" de Hitchcock, en el remake de ésta, "Un Crimen Perfecto".
Finalmente, se ganó el reconocimiento con el largometraje "Shakespeare in Love", donde encarna a Viola, destacó por un impecable acento inglés y un nivel de actuación superior, que se demuestra en su facilidad para cambiar de sexo con su papel doble de Romeo-Viola. Así, ganó el Globo de Oro y el Oscar a la mejor actriz del año (1999). Pareja de Chris Martin, cantante del grupo Coldplay, fueron padres de una niña tras "un parto largo" el 14 de mayo de 2004.