Arterton begon haar acteercarrière in 2007 met een kleine rol in de film St Trinian's. Ze kreeg erkenning voor haar rollen in de films Quantum of Solace (2008), Prince of Persia:The Sands of Time (2010), Clash of the Titans (2010) en Hansel &Gretel:Witch Hunters (2013).
Arterton heeft ook succes gehad op het podium. Ze maakte haar West End-debuut in 2008 in het toneelstuk The Duchess of Malfi. Sindsdien is ze verschenen in verschillende andere West End-producties, waaronder The Little Dog Laughed (2010) en Nell Gwynn (2016).
In 2010 won Arterton de BAFTA Rising Star Award. Ze is ook genomineerd voor twee Olivier Awards.
Enkele van Artertons andere opmerkelijke filmcredits zijn onder meer Tamara Drewe (2010), The Disappearance of Alice Creed (2009) en Their Finest (2016).
In 2020 speelde Arterton in de Netflix-film The King's Man. Ze zal de hoofdrol spelen in de komende film The Pale Blue Eye.
Arterton is getrouwd met acteur Rory Keenan. Ze hebben samen twee kinderen.