Estudió un semestre de Historia del Arte en UCLA, pero su inquietud artística la llevó a buscar trabajo como actriz en Nueva York, y su ambiente familiar le ayudó en esta tarea, su padrino es el reconocido director Steven Spielberg, quien le dio un pequeño papel en Hook, donde interpretó a la joven Wendy. Más tarde se dio a conocer con trabajos en películas de bajo presupuesto, como "Flesh and Bone", junto a Meg Ryan y Dennis Quaid. Pero fue el papel de Tracy Millis en Se7en de David Fincher, la que le dio fama internacional, aunque esta fama, no fue tanto gracias a su trabajo, sino más bien a su relación sentimental con el actor Brad Pitt.
Su reconocimiento artístico llegó con Shakespeare enamorado, película dirigida por John Madden por la cual ganó el premio Óscar, y el Globo de Oro.
Gwyneth habla español con fluidez ya que vivió como estudiante de intercambio en la localidad española de Talavera de la Reina que la ha nombrado Hija adoptiva. Entiende también el francés, aunque no lo domina completamente.
También posee talento vocal, y gracias a esto interpretó las canciones "Bette Davis Eyes", "Just my imagination" junto a Babyface y "Cruising Together" junto a Huey Lewis, canciones pertenecientes a la banda sonora de la única película en la que participó junto a su padre, "Duets". Ha actuado junto a su madre en "Sylvia", donde interpreta a la poetisa americana Sylvia Plath, y en Cruel Doubt. Además participó en la primera película de su hermano The Good Night estrenada en 2007 en el festival de cine de Sundance