C'est en bonne fille de réalisateur (Bruce Paltrow) et d'actrice (Blythe Danner) que l'ex-madame Pitt et actuelle madame Martin, Gwyneth Paltrow, choisit la belle voie du cinéma. Elle a cependant étudié dans un premier temps l'histoire de l'art à l'Université de Santa Barbara, avant de devenir actrice.
 
La jeune Californienne commence sur les chapeaux de roue en interprétant Wendy dans Hook de Steven Spielberg, qu'elle rencontre fortuitement après un casting. Puis elle joue aux côtés de Nicole Kidman dans le film d'action Malice. Elle est très émouvante en jeune femme effrayée par la sordidité de New York dans Seven, jusqu'à ce que Kevin Spacey lui fasse perdre la tête.
 
C'est sa prestation dans Shakespeare in Love de John Madden en 1998 qui en fait une actrice très sollicitée, d'autant plus que la belle va décrocher l'Oscar de la Meilleure actrice pour ce rôle en costume. La même année, elle joue l'épouse infidèle de Michael Douglas dans l'hitchcockien Meurtre parfait. Depuis, Gwyneth Paltrow partage sa carrière entre films à gros budget (Le Talentueux Mr. Ripley, Capitaine Sky et le monde de demain où elle côtoie son ami Jude Law ou encore Iron Man), films indépendants (la délirante Famille Tenenbaum par exemple) et « films de famille », comme Duos d'un jour, dernier film réalisé par son père Bruce avant son décès, où elle laisse voir ses talents de chanteuse.
 
Elle joue aussi sous la direction de son frère Jake dans la comédie romantique The Good Night. En 2008, elle est avec Joaquin Phoenix et Vinessa Shaw la vedette de la comédie Two lovers, réalisée par James Gray et présentée au festival de Cannes.