Filla del director i productor Bruce Paltrow i de l’actriu Blythe Danner, debutà al costat de John Travolta a Shout! (1991), de J.Hornaday. Després d’interpretar el paper de Wendy a Hook (1991), de S.Spielberg, i les pel·lícules Flesh and Bone (1993), de S.Kloves, Jefferson in Paris (1995), de J.Ivory, Moonlight and Valentino (1995), de P.Anspaugh, Seven (1995), de D.Fincher, o The Pallbearer (1996), de M.Reeves, es forjà la seva imatge d’actriu de papers que combinen un físic atractiu amb personatges tímids i acomplexats. Emma (1996), de D.McGrath, adaptació d’una novel·la de Jane Austen, li oferí el primer paper protagonista. Però la consagració li arribà amb The Perfect Murder (1998), d’A.Davis, i, sobretot, amb Shakespeare in Love (1998), de J.Madden, film pel qual obtingué un Oscar. Posteriorment ha interpretat The Talented Mr. Ripley (1999), d’A.Minghella, Duets (2000), de B.Paltrow, la comèdia The Intern (2000), de M.Lange, el drama Bounce (2000), de D.Roos, The Anniversary Party (2001), d’A.Cumming i J.Jason Leigh, The Royal Tennenbaums (2001), de W.Anderson, Shallow Hal (2001), de B. i P.Farrelly, Possession (2002), de N.LaBute, View from the Top (2003), de B.Barreto, Sylvia (2003), de Ch.Jeffs, i Sky Captain and the World of Tomorrow (2004), de K.Conran.