Arterton comenzó su carrera como actriz en 2007 con un pequeño papel en la película St Trinian's. Obtuvo reconocimiento por sus papeles en las películas Quantum of Solace (2008), Prince of Persia:The Sands of Time (2010), Clash of the Titans (2010) y Hansel &Gretel:Witch Hunters (2013).
Arterton también ha tenido éxito en el escenario. Hizo su debut en el West End en 2008 en la obra La duquesa de Malfi. Desde entonces, ha aparecido en varias otras producciones del West End, incluidas The Little Dog Laughed (2010) y Nell Gwynn (2016).
En 2010, Arterton ganó el premio BAFTA Rising Star. También ha sido nominada a dos premios Olivier.
Algunos de los otros créditos cinematográficos notables de Arterton incluyen Tamara Drewe (2010), The Disappearance of Alice Creed (2009) y Their Finest (2016).
En 2020, Arterton protagonizó la película de Netflix The King's Man. Ella protagonizará la próxima película The Pale Blue Eye.
Arterton está casado con el actor Rory Keenan. Tienen dos hijos juntos.