Gemma Arterton se graduó en la RADA (Academia Real de las Artes Dramáticas) en 2007 y ya ha conseguido un premio Empire Film a la mejor debutante y una nominación a los premios Orange Rising Start en los BAFTA 2011.
Recientemente, Gemma apareció en la esperada Byzantium, una película dirigida por Neil Jordan, escrita por Moira Buffini y coprotagonizada por Saoirse Ronan, en la que hace el papel de una vampira llamada Clara.
Gemma acaba de terminar la grabación del thriller psicológico The Voices en Berlín, película que protagoniza junto con Ryan Reynolds y Anna Kendrick. También ha sido anunciada como la protagonista de Gemma Bovery, junto a Fabrice Luchini. La película, dirigida por Anne Fontaine (Coco, de la rebeldía a la leyenda de Chanel) es una adaptación de una novela gráfica de Posy Simmonds y supondrá el primer papel de habla extranjera de Gemma.
Este mismo año, pudimos ver a Gemma en Hansel y Gretel: Cazadores de brujas, película que protagoniza junto a Jeremy Renner y también en la comedia dramática londinense Una canción para Marion, junto a Vanessa Redgrave y Terence Stamp.
El pasado año, Gemma puso la voz al personaje Shelley en Las aventuras de Sammy. Un viaje extraordinario, un largometraje de animación que cuenta con las voces de John Hurt y Dominic Cooper. También tuvo el papel protagonista en Tamara Drewe, dirigida por el premiado director Stephen Frears, junto a Dominic Cooper, Luke Evans y Tamsin Greig. En 2010, Gemma apareció junto a Sam Worthington en el papel de reina Io en el remake de Louis Letterier del clásico de 1981 Furia de titanes, basada en un mito griego. Poco después, tuvo el papel femenino principal como princesa Tamina en la película de Disney Prince of Persia: las arenas del tiempo, dirigida por Mike Newel y coprotagonizada por Jake Gyllenhaal y Sir Ben Kingsley. En 2009, Gemma protagonizó la película independiente de J Blakeson La desaparición de Alice Creed, una frenética historia de secuestros e intriga en la que desempeña el papel principal junto a Martin Compston y Eddie Marsan.
Gemma protagonizó la película de Richard Curtis Radio encubierta, una comedia ubicada en los años 60, coprotagonizada por Philip Seymour Hoffman, Kenneth Branagh, Bill Nighy y Emma Thompson. En 2008, Gemma tuvo el papel de Strawberry Fields, la chica Bond en Quantum of Solace, dirigida por Marc Foster y protagonizada por Daniel Craig y Judi Dench. Entre otras de sus películas se incluyen la película gánster de Guy Ritchie RocknRolla, Three and Out, dirigida por Honathan Gershfield y el remake del clásico Supercañeras El internado puede ser una fiesta, dirigido por Oliver Parker y Barnaby Thompson, por la que fue nominada a un premio Empire y ganó un premio National Movie Award.
Para la televisión, Gemma protagonizó una desgarradora interpretación como la heroica Tess en la adaptación de la BBC de la novela de Thomas Hardy Tess of the DUrbervilles, coprotagonizada por Eddie Redmayne y Hans Matheson, la cual le valió críticas sobresalientes y numerosos premios y nominaciones. También hizo de Elizabeth Bennett en el drama de ITV Lost in Austen. En 2007, protagonizó para la BBC Capturing Mary, un telefilm dirigido por Stepehn Poliakoff, en el que desempeña el papel de Liza, junto con Maggie Smith, David Walliams y Ruth Wilson.
A principios de 2010, Gemma realizó su debut en los Teatros de West End en Garrick, junto con Rupert Friend y Tamsin Greig, en la premiada comedia de Broadway de Douglas Carter Beane, The Little Dog Laughed. Volvió a los escenarios en noviembre de 2010 en el mundialmente famoso teatro Almeida Theatre con la obra The Master Builder, de Henrik Ibsen, por la que recibió alabanzas de la crítica por su fascinante interpretación de Hilda Wangel.
Otras obras de Gemma incluyen el papel que tuvo como Rosaline en Loves Labours Lost, del director Dominic Dromgoole, en el teatro Shakespeares Globe Theatre. Después de ganar un premio a la mejor actriz secundaria por su interpretación de Kent, consiguió una beca para estudiar en la Academia Real de las Artes Dramáticas, donde desempeñó personajes protagonistas en producciones como An Ideal Husband, Titus Andronicus o The Beggars Opera.