Arterton a commencé sa carrière d'actrice en 2007 avec un petit rôle dans le film St Trinian's. Elle s'est fait connaître pour ses rôles dans les films Quantum of Solace (2008), Prince of Persia :Les Sables du Temps (2010), Le Choc des Titans (2010) et Hansel &Gretel :Witch Hunters (2013).
Arterton a également connu du succès sur scène. Elle a fait ses débuts dans le West End en 2008 dans la pièce La Duchesse de Malfi. Depuis, elle est apparue dans plusieurs autres productions du West End, dont The Little Dog Laughed (2010) et Nell Gwynn (2016).
En 2010, Arterton a remporté le BAFTA Rising Star Award. Elle a également été nominée pour deux Olivier Awards.
Certains des autres crédits cinématographiques notables d'Arterton incluent Tamara Drewe (2010), La disparition d'Alice Creed (2009) et Their Finest (2016).
En 2020, Arterton a joué dans le film Netflix The King's Man. Elle devrait jouer dans le prochain film The Pale Blue Eye.
Arterton est marié à l'acteur Rory Keenan. Ils ont deux enfants ensemble.