Urodziła się w mieszanej rodzinie jako jedyna córka i starsze dziecko aktorki Blythe Danner (ur. 3 lutego 1943)[3] i Bruce’a Weigerta Paltrowa (ur. 26 listopada 1943, zm. 3 października 2002)[4], reżysera i producenta telewizyjnego. Dorastała z młodszym bratem Jakiem (ur. 26 września 1975)[5].
Przodkowie aktorki mieszkali w zaborze rosyjskim. Rodzina ojca przez pokolenia zakorzeniona była w Mińsku i okolicach w Wielkim Księstwie Litewskim[6]. Meyir Paltrowitz, pradziadek aktorki urodził się w Bostonie, był synem Simchy Paltrowicza (ze wsi Łuby-Kurki, od 1872 w USA[7]) i Tsipory Levitanski[6]. Simcha był okresowo rabinem w Nowogrodzie[8] (gazeta „Dziennik” podaje że w Krakowie[9], choć Gwyneth Paltrow nazwy tego miasta nie wymienia, a powołuje się na pochodzenie rodziny ojca z Białorusi[6]).
Po kilku miesiącach zajęć zdecydowała się poświęcić karierze aktorskiej[13]. Po raz pierwszy wystąpiła na małym ekranie w dramacie CBSHigh (1989) reżyserowanym przez swojego ojca z Zachem Braffem, Roxann Dawson i Craigiem Fergusonem. Dwa lata później zadebiutowała na kinowym ekranie w dramacie Wrzask (Shout, 1991) u boku Johna Travolty i Heather Graham, a także pojawiła się jako Wendy w obrazie Stevena Spielberga Hook (1991).
Przełomem w jej karierze okazała się rola żony oficera śledczego (Brad Pitt), pracującego w wydziale zabójstw, w thrillerze Davida Finchera Siedem (Se7en, 1995), za którą była nominowana do nagrody Saturna. Wystąpiła także w teledysku Melissy EtheridgeI Want to Come Over (1995). Kreacja Emmy Woodhouse w filmowej adaptacji powieści Jane Austen Emma (1996) przyniosła jej nagrodę Złotego Satelity. Zebrała dobre recenzje za występ w remake'u klasycznym obrazie Wielkie nadzieje (Great Expectations, 1998) u boku Ethana Hawke’a i Roberta De Niro oraz otrzymała nagrodę Blockbuster Entertainment za postać Emily Bradford Taylor w thrillerze kryminalnym Morderstwo doskonałe (A Perfect Murder, 1998) z Michaelem Douglasem i Viggo Mortensenem.
Sukcesem była kreacja Violi De Lesseps, miłości młodego Williama Szekspira (Joseph Fiennes) w filmie kostiumowym Johna Maddena Zakochany Szekspir (Shakespeare in Love, 1998), za którą została uhonorowana m.in. nagrodą Oscara, nagrodą Złotego Globu nagrodą Empire i zdobyła nominację do nagrody Brytyjskiej Akademii Filmowej (BAFTA). W 2002 roku odniosła sukces na scenie londyńskiego teatru Donmar Warehouse w spektaklu Dowód wyreżyserowanym przez Johna Maddena, dwa lata później przeniesionym na duży ekran.
Od 2008 Paltrow prowadzi stronę internetową GOOP[14].
Od grudnia 1994 do maja 1997 związana była z aktorem Bradem Pittem[16].
5 grudnia 2003 poślubiła Chrisa Martina[17], lidera rockowej grupy Coldplay. Mają dwójkę dzieci: córkę Apple Blythe Alison (ur. 14 maja 2004)[18] i syna Mosesa Bruce’a Anthony’ego (ur. 8 kwietnia 2006). W marcu 2014 roku Paltrow ogłosiła, że po dziesięciu latach małżeństwa rozstała się z Martinem, określając ten proces jako „świadome rozstanie” (conscious uncoupling)[19][20]. W kwietniu 2015 roku Paltrow wystąpiła o rozwód z Martinem[21].
8 stycznia 2018 zaręczyła się z Bradem Falchuckiem – producentem filmowym. We wrześniu 2018 para wzięła ślub w willi w Hamptons na Long Island[22].
