Los Angeles, Kaliforniya'da dünyaya geldi. Yapımcı - yönetmen Bruce Paltrow ve oyuncu Blythe Danner'in kızı olan Gwyneth Paltrow kendisi gibi oyuncu olan Katherine Moennig'in kuzenidir.
New York'taki Spence School'un ardından bir dönem University of California at Santa Barbara'ya devam etti, ardından okulu bıraktı. Gwyneth Paltrow, 1991 yılında Shout isimli filmle oyunculuk kariyerine başladı. Aynı yıl Steven Spielberg’in, Kanca adlı filminde Genç Wendy’yi canlandırdı ve ismini duyurmaya başladı. Dennis Quaid, Meg Ryan ve James Caan ile birlikte oynadığı Flesh and Bone (1993) adlı filmle yıldızı parlayan Paltrow, daha sonra Malice (1993), Jefferson in Paris, Yedi (1995) ve Emma’da (1996) rol aldı.
1998 yılında Aşık Shakespeare’deki rolüyle, 'En İyi Kadın Oyuncu' dalında Altın Küre ve Oscar ödüllerini kazandı. 2002 yılında 30. doğum gününü ailesiyle kutlamak için bulunduğu Roma'da babasını kaybetti. Çocuklarının doğumundan sonra sinemada fazla görünmese de Iron Man film serisinde başrolde oynadı.
1994-97 yılları arasında ünlü aktör Brad Pitt ile birlikte olan Paltrow, nişanlıyken Pitt'ten ayrıldı. Daha sonra Ben Affleck ile birlikte oldu. 2002 yılında Coldplay grubunun solisti Chris Martin ile tanışan Paltrow, 2003'te evlendi. Bu evlilikten Apple Blythe Alison (d. 2004) ve Moses Bruce Anthony (d. 2006) adında iki çocuğu oldu. 2016'da Martin'den ayrıldı. 2018'de dizi senaristi ve yapımcı Brad Falchuk ile evlendi.
