Filla i deixebla del pintor Orazio Gentileschi, seguidor de Caravaggio. L’obra d’Artemisia és considerada un dels principals exponents del caravaggisme. Deixebla també del paisatgista Agostino Tassi, fou violada per aquest. Sotmesa a judici (1612), durant el qual fou torturada, fou condemnada a ser expulsada de Roma. La seva primera pintura coneguda fou Susanna i els vells (1610), durant molt de temps atribuïda al seu pare. Sobresurten també dues versions de Judit decapitant Holofernes (1613 i 1620), considerades la culminació de la seva obra i interpretades com una venjança per la seva violació.
Casada amb un artista florentí, des del 1616 residí a Florència, on fou la primera dona membre de l’Acadèmia de les Arts i treballà per als Medici, i on desenvolupà el seu estil amb obres com Al·legoria de la inclinació, per als frescos de la Casa Buonarotti. Posteriorment passà a Roma, Venècia i Londres, on treballà amb el seu pare per a la cort de Carles I. Vers el 1640 s’establí a Nàpols i hi visqué fins a la mort. Excel·lí sobretot en escenes mitològiques i bíbliques, en les quals combinà amb una gran habilitat realisme i dramatisme i el tenebrisme heretat de Caravaggio. Altres obres destacades són Ester davant d’Assuer (c. 1630) i els autoretrats com a Tocadora de llaüt, com a Al·legoria de la pintura (c. 1639) i com a Santa Caterina d’Alexandria (c. 1616).