Пэлтроу выросла в Санта-Монике, Калифорния. Затем она училась в частной школе для девочек в Нью-Йорке, после чего некоторое время изучала историю искусств в Санта-Монике. Спустя некоторое время она бросила учёбу и посвятила себя актёрскому ремеслу.
У Пэлтроу есть младший брат Джейк и двоюродная сестра, тоже актриса, Кэтрин Мённиг. Троюродная сестра актрисы — Габриэль Гиффордс, член Конгресса США, раненная в голову при покушении на неё в Тусоне (Аризона).
Её дебютом стал фильм «Крик», затем она получила небольшую роль в фильме «Капитан Крюк» Стивена Спилберга. Позже она исполнила роль в фильме «Семь». Её игра в фильме «Эмма» была встречена с одобрением. Двумя годами позже она получила «Оскар» в номинации «лучшая женская роль» за роль в фильме «Влюблённый Шекспир». Её дальнейшая карьера в кино была успешной благодаря ролям в таких фильмах, как «Доказательство» и «Семейка Тененбаум». В интервью газете The Guardian Гвинет Пэлтроу признала, что в её карьере есть фильмы, в которые она вложила душу, и низкопробные поделки, в которых она участвовала только из-за денег. Такие фильмы, как «Семейка Тененбаум», «Доказательство» и «Сильвия» она относит к первой категории, в то время, как «Вид сверху лучше» и «Любовь зла» — к последней.
В сентябре 2016 года Гвинет Пэлтроу представила свою первую коллекцию одежды в рамках бренда Goop и заявила о намерении каждый месяц обновлять линейку. В 2018 году общественная организация The Good Thinking Society, выступающая против лженауки, обвинила компанию в недобросовестной рекламе и том, что её советы потенциально опасны для покупателей. Причина обвинения: комплекс биодобавок Goop для беременных с увеличенной дозой витамина А. В 2020 году вышел документальный мини-сериал о велнес-компании Гвинет Пэлтроу Goop.
В 2000 году Пэлтроу и Хьюи Льюис выпустили музыкальный сингл «Cruisin» для продвижения фильма «Дуэты». После съёмки музыкального клипа эта песня заняла первую строку хит-парадов в Австралии.
В 2002 году Пэлтроу участвовала в записи альбома C’mon, C’mon певицы Шерил Кроу. В этом альбоме вместе с Кроу она исполнила песню «It’s Only Love».
В мае 2005 года Пэлтроу была объявлена новым лицом духов Pleasures парфюмерной компании Estée Lauder.
В саундтреках к фильму «Я ухожу — не плачь» Пэлтроу исполнила четыре песни: «Country Strong», «Shake That Thing», «Coming Home» и «Me and Tennessee» (последнюю в дуэте с Тимом Макгро).
Пэлтроу встречалась с актёром Брэдом Питтом с 1994 по 1997 год, с которым была помолвлена. Их помолвка была разорвана, поскольку, по словам Пэлтроу, она была не готова к браку[2].
С 1997 по конец 2000 года Пэлтроу состояла в отношениях с актёром Беном Аффлеком[3]. Они расстались в начале 1999 года; вскоре после расставания Пэлтроу уговорила Аффлека сняться вместе с ней в фильме «Чужой билет»[4]. Во время съёмок фильма Пэлтроу и Аффлек возобновили отношения, однако в октябре 2000 года окончательно расстались[3].
В октябре 2002 года Пэлтроу встретила музыканта Криса Мартина, вокалиста музыкальной группы Coldplay. Они поженились 5 декабря 2003 года в отеле в Южной Калифорнии[5]. Их дочь, Эппл Блайт Элисон Мартин, родилась в 2004 году, а их сын, Мозес Брюс Энтони Мартин, — в 2006 году[6]. После рождения сына Пэлтроу страдала от послеродовой депрессии[7]. В марте 2014 года Пэлтроу и Мартин объявили о расставании после 10 лет брака, описав процесс как «осознанное расставание»[8]. Во время своего публичного заявления о разводе Пэлтроу пригласила своего врача Хабиба Садеги (чьих наставлений она четко прислушивалась в процессе развода) и его супругу доктора Шери Сами объяснить процесс расставания. «Процесс осознанного расставания — это возможность понять, что каждое раздражение и спор (во время брака) являются сигналом для того, чтобы заглянуть в себя и найти отрицательный внутренний объект, нуждающийся в исцелении, — объяснил Садеги. — С этой позиции нет виноватых, есть только два человека, и все связано с этими людьми, как личностями, а не с их отношениями»[9].
В апреле 2015 года Пэлтроу подала на развод[10], который завершился 14 июля 2016 года[11].
В 2014 году Пэлтроу начала встречаться с продюсером Брэдом Фэлчаком, с которым познакомилась на съёмках сериала «Хор»[12]. В январе 2018 года пара объявила о помолвке[13]. Их свадьба состоялась в сентябре того же года[14]. Как для Гвинет, так и для Брэда этот брак стал вторым. Несмотря на то, что для Гвинет Пэлтроу это второй брак, это оказалась ее первая свадебная церемония[15].
В 2017 году Пэлтроу рассказала, что во время съёмок фильма «Эмма» в 1996 году она стала жертвой домогательств со стороны продюсера Харви Вайнштейна. Она рассказала о случившемся Брэду Питту, который пошёл на конфликт с продюсером. Вайнштейн позже предупредил Пэлтроу, чтобы она никому не рассказывала о случившемся[16].