Arterton 2007-ben kezdte színészi karrierjét a St Trinian's című filmben betöltött kis szereppel. Elismerést szerzett a Quantum of Solace (2008), Prince of Persia:The Sands of Time (2010), A Titánok összecsapása (2010) és Hansel &Gretel:Witch Hunters (2013) című filmekben.
Arterton a színpadon is sikereket ért el. 2008-ban debütált a West Enden a The Duchess of Malfi című darabban. Azóta több más West End produkcióban is feltűnt, köztük a The Little Dog Laughed (2010) és a Nell Gwynn (2016) című filmben.
2010-ben Arterton elnyerte a BAFTA Rising Star díjat. Két Olivier-díjra is jelölték.
Arterton további jelentős filmjei közé tartozik a Tamara Drewe (2010), az Alice Creed eltűnése (2009) és a Their Finest (2016).
2020-ban Arterton szerepelt a The King's Man című Netflix-filmben. A közelgő The Pale Blue Eye című film főszereplője lesz.
Arterton feleségül vette Rory Keenan színészt. Két közös gyermekük van.