Actriz de talento tanto en la escena como en la pantalla, Gretchen Mol ha encarnado como protagonista a Bettie Page en The Notorious Bettie Page (2005), de Mary Harron, que inauguró con críticas apasionadas el Festival internacional de cine de Toronto de 2005. Mol también ha sido protagonista en Puccini for Beginners (2006), de la guionista y directora Maria Maggenti, cinta presente en la Sección oficial de dramáticos independientes a competición. Recientemente, ha paticipado en Trainwreck: My Life as an idiot (2007).
En el invierno de 2003-2004, Mol tuvo el papel protagonista de Roxie Hart en la pieza CHICAGO que se representaba en Broadway. Con anterioridad, apareció en la adaptación cinematográfica de Neil LaBute de Por amor al arte (The Shape of Things, 2003), donde también son protagonistas Paul Rudd, Rachel Weisz y Fred Weller, con première en el Festival de cine de Sundance de 2003. Antes del film, Mol había sido protagonista en la versión teatral del off-Broadway en que se basa el film: THE SHAPE OF THINGS, tras haberse acabado las representaciones en Londres, siempre con el mismo reparto.
La actriz debutó en el cine de la mano de Spike Lee en Girl 6 (Girl 6, 1996) dando vida a la Girl 12. Posteriormente, hizo aparición en filmes como Con los ojos del corazón (Musica From Another Room, 1998); El Funeral (The Funeral, 1996), de Abel Ferrara; La última vez que me suicidé (The Last Time I Committed Suicide, 1997); Nivel 13 (The Thirteenth Floor, 1999); Rounders (Rounders, 1998); y Celebrity (Celebrity, 1998). Mol también fue protagonista junto a Ray Liotta y Joseph Fiennes en Forever Mine (Forever Mine, 199), de Paul Schrader y en La chica de mis sueños (Just Looking, 1999), de Jason Alexander.
De su labor televisiva, cabe destacar, con amplia audiencia, el telefilm Picnic (2000); The Magnificent Ambersons (2002), para A&E; Calma al atardecer (Calm at Sunset, Calm at Dawn, 1996); The Valley of Light (2007), para la CBS; y la miniserie Dead Mans Walk (1996). Asimismo, también ha aparecido en el primer episodio del éxito de la ABC, Spin City: loca alcaldía (Spin City, 1996); y en Love on the A Train, un fragmento de Subway Stories (1997), para la HBO.
Nacida en Connecticut y graduada en el William Esper Studio y en la American Musical and Dramatic Academy, comenzó a actuar profesionalmente en varios anuncios y producciones teatrales como BUS STOP; AN ACTORS NIGHTMARE; NO EXIT; GODSPELL; y 110 IN THE SHADE, entre otras.