Arterton aloitti näyttelijänuransa vuonna 2007 pienellä roolilla elokuvassa St Trinian's. Hän sai tunnustusta rooleistaan elokuvissa Quantum of Solace (2008), Prince of Persia:The Sands of Time (2010), Clash of the Titans (2010) ja Hansel &Gretel:Witch Hunters (2013).
Arterton on menestynyt myös lavalla. Hän debytoi West Endissä vuonna 2008 näytelmässä Malfin herttuatar. Hän on sittemmin esiintynyt useissa muissa West Endin tuotannossa, mukaan lukien The Little Dog Laughed (2010) ja Nell Gwynn (2016).
Vuonna 2010 Arterton voitti BAFTA Rising Star -palkinnon. Hän on myös ollut ehdolla kahdelle Olivier-palkinnolle.
Jotkut Artertonin muista merkittävistä elokuvista ovat Tamara Drewe (2010), The Disappearance of Alice Creed (2009) ja Their Finest (2016).
Vuonna 2020 Arterton näytteli Netflix-elokuvassa The King's Man. Hänen on määrä näytellä tulevassa elokuvassa The Pale Blue Eye.
Arterton on naimisissa näyttelijä Rory Keenanin kanssa. Heillä on kaksi yhteistä lasta.