Figlia d'arte, i suoi genitori sono il produttore televisivo Bruce Paltrow e l'attrice Blythe Danner, si dedica in un primo tempo allo studio conseguendo il diploma alla rinomata Spence School di New York e iscrivendosi all'Università californiana di Santa Barbara per seguirne il corso di Storia dell'arte. La sua vocazione al cinema prende però presto il sopravvento e nel 1991, dopo aver recitato insieme alla madre in Picnic al Williamstown Theatre del Massachussets, abbandona gli studi e intraprende la carriera di attrice esordendo in Shout, film musicale con John Travolta, e interpretando in Hook una piccola parte offertale dall'amico di famiglia Spielberg. Le successive partecipazioni a Malice e Omicidi di provincia sono il preludio per ruoli di maggiore importanza nei film Moonlight & Valentino e Jefferson in Paris di Ivory, entrambi del 1995. Nello stesso anno appare in Seven accanto a Brad Pitt e la relazione che avrà poi con lui, complice il grande successo del film, le procura una certa notorietà. Negli anni seguenti accresce la sua popolarità vestendo i panni della protagonista sia in Emma, versione cinematografica dell'omonimo romanzo di Jane Austen, che in Paradiso perduto, film ispirato a Grandi speranze di Dickens, dove col ruolo di Estella è il pungolo d'amore di un appassionato Ethan Hawke. La sua definitiva affermazione avviene nel 1998, prima con Sliding doors, la cui trama a doppio sviluppo la porta ad interpretare brillantemente due possibili e alternative esistenze, poi, dopo la parentesi del poco riuscito remake di Delitto perfetto, con Shakespeare in love, che le fa vincere l'Oscar nella parte di Viola de Lesseps, ragazza che si traveste da uomo per poter recitare nei lavori teatrali del grande drammaturgo. I suoi ultimi film sono Il talento di Mr Ripley diretto da Minghella e tratto dal romanzo della Highsmith, Bounce, a fianco del sempre più quotato Ben Affleck e infine Duets, con la regia del padre Bruce. Eterea, non caldamente sensuale ma con un contegno e un' eleganza da upper class che le donano un certo fascino, è stata paragonata a Grace Kelly sebbene non ne possegga la bellezza e la classe. Attrice dotata di piglio e personalità, con la sua aria delicata e un po' snob ha saputo acquistarsi il favore del pubblico e della critica.

Nata a Los Angeles, figlia di Bruce Paltrow, produttore delle serie televisive A cuore aperto e The White Shadow, e dell'attrice Blythe Danner, Gwyneth Paltrow studia storia dell'arte all'università della California di Santa Barbara. Lascia l'università per diventare attrice e riscuote il suo primo successo con l'interpretazione nella produzione di Picnic al Williamstown Theatre dove ha un ruolo importante accanto alla madre e a Tony Goldwyn.
La sua prima audizione per il cinema va a buon fine poiché ottiene un ruolo in Shout di Jeffrey Hornday, al fianco di John Travolta. Qualche tempo dopo l'incontro fortuito con Steven Spielberg induce quest'ultimo ad affidarle la parte di Wendy in Hook – Capitan uncino.

In seguito Gwyneth Paltrow interpreta la mini-serie Cruel Doubt, dove per coincidenza ritrova la madre che incarna il ruolo di... sua madre.
Mentre prova The Sweet By and By al Williamstown Theatre le viene proposto un provino per Omicidi di provincia di Steve Kloves, interpretato da Meg Ryan e Dennis Quaid. Il consenso che riscuote per questo film la fa conoscere al pubblico e gira uno dopo l'altro Mrs. Parker e il circolo Vizioso di Alan Rudolph dove incarna l'attrice teatrale Paula Hunt, Il sospetto di Harold Becker, Jefferson in Paris di James Ivory, accanto a Nick Nolte, seguiti da Seven di David Fincher , con Brad Pitt e Morgan Freeman, e Moonlight & Valentino di David Anspaugh, interpretato da Whoopi Goldberg, Kathleen Turner ed Elizabeth Perkins.
Successivamente è in Sydney di Paul Thomas Anderson, con Samuel L.
Jackson, Tre amici, un matrimonio e un funerale di Matthew Reeves con David Schwimmer, Toni Collette e Barbara Hershey, e nell'adattamento del romanzo di Jane Austen Emma di Douglas McGrath dove interpreta il ruolo della protagonista.
Alla fine degli anni '90, gira Sliding Doors di Peter Hewitt con John Hannah e Jeanne Tripplehorn, Paradiso perduto di Alfonso Cuaron, accanto a Ethan Hawke, Obsession di Jonathan Darby e Delitto perfetto di Andrew Davis con Michael Douglas e Viggo Mortensen.
Nel 1998 ottiene l'Oscar, il Golden Globe e lo Screen Actors Guild Award per la migliore attrice per il ruolo di Viola de Lesseps in Shakespeare in Love di John Madden, con Joseph Fiennes come co-protagonista, e vince anche lo Screen Actors Guild Award per l'intero cast.
Alla sua filmografia si aggiungono poi Il talento di Mr. Ripley di Anthony Minghella, con Matt Damon e Jude Law, Bounce di Don Roos, Duets in cui è diretta dal padre Bruce Paltrow, e The Anniversary Party di e con Alan Cumming e Jennifer Jason Leigh, interpretato anche da John C. Reilly e Kevin Kline.
In seguito ha interpretato I Tenembaum di Wes Anderson, con Gene Hackman, Angelica Huston e Ben Stiller, Amore a prima svista dei fratelli Farrelly, con Jack Black e Jason Alexander, e ha avuto un piccolo ruolo in Austin Powers in Goldmember di Jay Roach. Ha recitato anche in UNA Hostess tra le nuvole di Bruno Barreto e in Possession – una storia romantica di Neil LaBute.
La ritroviamo protagonista di Sylvia di Christine Jeffs, storia della relazione tra Sylvia Plath e Ted Hughes, e in Sky Captain and the World of Tomorrow di Kerry Conran, con Jude Law e Angelina Jolie.
Nel 2005 è candidata al Golden Globe per Proof – La prova, adattamento della pièce insignita del Pulitzer di David Auburn, in cui è di nuovo diretta da John Madden, al fianco di Anthony Hopkins. Per la sua interpretazione nell'omonimo allestimento teatrale è candidata all'Olivier Award come migliore attrice.
Da allora ha incarnato la cantante Peggy Lee in Infamous – Una pessima reputazione di Doug McGrath e ha recitato in Correndo con le forbici in mano di Ryan Murphy, con Annette Bening, Ryan Cox, Joseph Fiennes, Evan Rachel Wood e Alec Baldwin. Suo fratello Jake Paltrow l'ha diretta nel suo film d'esordio The Good Night, con Penélope Cruz e Danny DeVito.
Di recente ha interpretato Iron Man di Jon Favreay, con Robert Downey Jr.