ארטמיזיה נולדה בעיר רומא. אביה, אורציו ג'נטילסקי, היה אמן פורה בתקופת הבארוק, שיצירתו הושפעה רבות מקאראווג'ו. ארטמיזיה למדה אמנות מאביה והגיעה להישגים אמנותיים מרשימים כבר בגיל צעיר (את ציורה "שושנה והזקנים" ציירה כבר בגיל 17). את ציוריה ייחדה העובדה שהרבתה לתעד נשים, תחום שציירים אחרים בני אותה התקופה כמעט ולא תיעדו.
לאחר שנדחתה על ידי מספר אקדמיות לאמנות, ביקש אביה מאגוסטינו טאסי, חברו ושותפו למספר יצירות, לשמש לה למורה. על פי פרוטוקולים משפטיים, בשנת 1612 הגיש אורציו תביעה נגד טאסי על גנבה אמנותית ועל אונס ביתו ארטמיזיה. טאסי, שהתבקש לשאת את ארטמיזיה לאחר שחילל את תומתה, סרב.
המשפט עורר סנסציה באיטליה של אותו הזמן, וישנן לא מעט עדויות מהמשפט. כך לדוגמה, נשמרו עדותן של עובדות משק הבית שהעידו נגד טאסי והצהירו כי ג'נטילסקי הייתה במחזור בזמן האונס.[1]
בסופו של דבר הוכחה במשפט עובדת האונס של ג'נטילסקי בתקופה בה היה קושי לא מועט להגיע להוכחות ולהרשעה במשפט באשמת אונס.
עם תום המשפט השיא אורציו את ארטמיזיה לפייר אנטוניו סטיאטסי, עמו עקרה לפירנצה, שם הייתה לאישה הראשונה שהתקבלה כחברה באקדמיה הפיורנטינית לאמנויות הציור. לארטמיזיה וסטיאטסי נולדו שתי בנות - האחת נפטרה בגיל צעיר ואילו השנייה המשיכה לתחום האמנותי בעקבות אמה.
ארטמיזיה, בדומה לאביה, הושפעה רבות מיצירתו של קאראווג'ו. יצירתה מאופיינת בדרמה ועזות רבה, שימוש עשיר באור וצל לצד גישה אישית מתוך נקודת מבט נשית. במהלך "המהפכה הנשית" של שנות ה-60 של המאה ה-20 אומצה דמותה של ארטמיזיה כסמל לכוח נשי, וסיפורה לצד אמנותה "התגלו מחדש". מחקרים פמיניסטיים רבים חוקרים את יצירתה בהקשר של האונס שחוותה, ואכן, ניתן לראות ביצירתה התייחסות רבה לנשים חזקות כגון קלאופטרה ויהודית העורפת את ראשו של הולופרנס (סצנה אותה תיארה בשני ציורים טנבריסטים, הראשון בנאפולי והשני בפירנצה) לצד דמויות נשים המופיעות במקורות כאובייקט המאוים מתשוקתם של גברים, כגון שושנה, לוקרציה ובת שבע.
ארטמיזיה ג'נטילסקי מתה, ככל הנראה, ב-1653 לאחר קריירה פורייה כאמנית אשר פרצה בעשייתה האמנותית דרך לאמניות רבות שבאו בעקבותיה.