Гвинет Пэлтроу родилась в Лос-Анджелесе (США, штат Калифорния), в семье кинорежиссёра Брюса Пэлтроу, потомка хорошо известного раввинского рода Палтрович из России и известной актрисы Блайт Дэннер. Отец Пэлтроу был евреем, её мать принадлежала к одной из религиозных сект. Являясь потомком раввинского рода Палтрович, Пэлтроу говорит, что гордится своей принадлежностью к еврейскому народу.

Гвинет выросла в Санта-Монике, затем училась в частной школе для девочек Нью-Йорка, после чего некоторое время изучала историю искусств. Спустя некоторое время она бросила учёбу и посвятила себя актёрскому ремеслу. У Пэлтроу есть младший брат Джейк и двоюродная сестра, тоже актриса, Кэтрин Монниг.

Дебютом Пэлтроу в кино стал фильм «Крик» 1991 года. После этого она получила небольшую роль в фильме «Капитан Крюк» Стивена Спилберга, старого друга их семьи и вдобавок своего крестного отца. Позже она исполнила главную роль в фильме «Семь» американского режиссера Дэвида Финчера, в котором сыграла дуэтом с Брэдом Питтом. Тогда-то и начался их роман: Гвинет влюбилась в своего партнера по фильму прямо на съемочной площадке. Их помолвка не ускользнула от внимания желтой прессы: Пэлтроу и Питт встречались несколько лет, но до свадьбы дело так и не дошло.

Её игра в фильме Эмма была встречена с одобрением как публикой, так и кинокритиками. В 1998 году Гвинет получила роль в фильме «Влюблённый Шекспир», которая принесла ей Оскар в номинации «Лучшая актриса». Её дальнейшая карьера в кино складывалась с каждым годом все более успешно. Следующий фильм, в котором Гвинет после небольшого перерыва появилась на большом экране, был триллер «Талантливый мистер Рипли», где актриса выступила в роли добросердечной подруги героя Джуда Лоу. За этим последовали роли в таких фильмах, как «Семейка Тененбаум», «Одержимость», «Доказательство» и т.д.

В 1999 и 2000 годах Пэлтроу стала объектом навязчивого преследования человеком по имени Данте Майкл, который, по сведениям некоторых источников, якобы посылал актрисе от пяти до десяти посылок в неделю, от признаний в любви, цветов и сладостей до религиозных памфлетов и непристойностей. Актриса получала десятки писем еженедельно и более 1200 электронных писем в общей сложности. За этим последовали угроза сексуального характера и неоднократные появления Данте в доме Пэлтроу. Преследования продолжались, несмотря на полученное Данте предупреждение от ФБР, после чего он был приговорён к нескольким годам лечения в психиатрической лечебнице.

В 2000 году Пэлтроу и Хью Льюис выпустили музыкальный сингл под названием Cruisin для продвижения фильма Дуэты. После съёмки музыкального клипа эта песня заняла первую строку хит-парадов в Австралии. В 2002 году Гвинет участвовала в записи альбома C'mon, C'mon певицы Шерил Кроу. В этом альбоме они дуэтом с Кроу исполнили песню It's Only Love.

5 декабря 2003 года Гвинет Пэлтроу вышла за муж за Криса Мартина, музыканта английской рок-группы Coldplay. Свадебная церемония прошла скромно и в тайне от всех в Южной Калифорнии. 14 мая 2004 года в Лондоне Пэлтроу родила дочь, которой дали имя Эппл. Необычное имя дочери (в переводе с англ. Apple означает Яблоко) во время известного шоу Опры Уинфри Пэлтроу объяснила так: «Это слово звучало мило и звонко и вызывало у меня такие приятные ассоциации!»

В мае 2005 года Пэлтроу была объявлена новым лицом Pleasures perfume парфюмерной компании Estee Lauder.

В интервью газете «The Guardian» в январе 2006 года Гвинет Пэлтроу признала, что в её карьере есть фильмы, в которые она вложила душу, и низкопробные поделки, в которых она участвовала только из-за денег. Такие фильмы, как «Семейка Тененбаум», «Доказательство» и «Сильвию» она относит к первой категории, в то время, как «Вид сверху лучше» и «Любовь зла» – к последней.

8 апреля 2006 года у Пэлтроу родился второй ребёнок – сын, также получивший необычное (библейское) имя Мосес, т. е. Моисей. Он появился на свет в Нью-Йоркской больнице Mount Sinai Hospital посредством кесарева сечения.

В начале 2008 года у Пэлтроу появился контракт с брендом Tod's.

Гвинет Пэлтроу убежденная вегетарианка. Актриса занимается благотворительностью: она давно поддерживает фонд «Робин Гуд», помогающий бездомным Нью-Йорка. А в марте 2008 года актриса стала послом организации «Save the Children» («Спаси детей»), занимающейся снижением количества детей, умирающих от болезней, которые можно предотвратить. В этой должности Гвинет прослужит людям три года.

Начало 2008 года ознаменовалось для Гвинет сразу двумя успешными картинами – «Железный человек» и «Два любовника»; последний она лично представила во время Каннского кинофестиваля.

А вот конец 2008 года стал для Гвинет не самым благоприятным периодом. Сначала разразился скандал с организацией защиты прав животных PETA (Гвинет обвинили в двуличии: защищая права животных на словах, она позирует в натуральных мехах в рекламе Tod's); Пэлтроу публично принесла извинения PETA и сослалась на «недоразумение».

А в декабре 2008 года в прессе появились сообщения о том, что Гвинет и ее супруг, вокалист группы Coldplay, Крис Мартин, живут как собака с кошкой и вот-вот собираются разводиться. Пэлтроу предпочла отмолчаться.

В 2010 году с участием Гвинет вышло два фильма, это «Железный человек 2» с Робертом Дауни мл. в главной роли и «Я ухожу – не плачь» с Тимом МакГроу}.

В 2011 году Гвинет снялась в фильме «Заражение», в котором также снялись такие звезды как Мэтт Дэймон, Лоренс Фишбёрн, Джуд Лоу, Кейт Уинслет и Марион Котийяр.

В 2012 году Гвинет снялась в картинах «Мстители» и «Спасибо за обмен».

Весной 2013 с участием Гвинет вышел фильм «Железный человек 3».

В мае 2013 года Гвинет стала лицом нового аромате Hugo Boss.