Ihr Vater, ein Schweißer, und ihre Mutter, eine Putzfrau, ließen sich scheiden, als sie fünf Jahre alt war. Arterton wuchs mit ihrer drei Jahre jüngeren Schwester bei ihrer Mutter in einer Sozialbausiedlung im südenglischen Gravesend auf. Ihre Familie beschreibt Arterton als „groß und dysfunktional“, aber glücklich. Nach dem Besuch einer Grammar School in der Nähe von Gravesend wurde sie an der Royal Academy of Dramatic Art zugelassen, wo sie das Unterschicht-Mädchen unter lauter Oxbridge-Absolventen war. Sie erhielt dort ihren Abschluss im Jahre 2007. Ihren für die Grafschaft Kent typischen, näselnden Akzent hat sie nach einigen Jahren abtrainiert; bereits an der Schauspielschule, so berichtet Arterton, „wurde mir gesagt, ich sollte es ändern, es würde mich behindern.“ Das machte sie 2010, als Regisseur Stephen Frears sie für den Film Immer Drama um Tamara zu einem Sprechtrainer schickte.

Ihr Bühnendebüt gab sie als Rosaline in Shakespeares Verlorene Liebesmüh im Globe Theatre, London. Ihr Filmdebüt gab sie 2007 in dem Fernsehfilm Capturing Mary. Im gleichen Jahr war sie in ihrer ersten Kinorolle in der britischen Komödie Die Girls von St. Trinian zu sehen.

Den Durchbruch schaffte Arterton 2008 als Bondgirl Strawberry Fields im James-Bond-Film Ein Quantum Trost an der Seite von Daniel Craig. Für die Rolle setzte sie sich gegen 1500 Bewerberinnen durch. Des Weiteren spielte sie die Rolle der Elizabeth Bennet in der TV-Miniserie Wenn Jane Austen wüsste (2008), nach dem Bestseller Stolz und Vorurteil.

2009 war sie unter anderem in Radio Rock Revolution und der Fortsetzung zu Die Girls von St. Trinian zu sehen. Für Aufregung sorgte sie aber vor allem mit ihrer freizügigen Rolle in dem Film Spurlos – Die Entführung der Alice Creed (2009). 2010 feierte sie Erfolge mit den Filmen Kampf der Titanen an der Seite von Sam Worthington und neben Jake Gyllenhaal in Prince of Persia: Der Sand der Zeit.

2010 spielte sie die Hilde Wangel in Ibsens Stück Baumeister Solness ("The Master Builder") in einer Aufführung des Londoner Almeida Theatre.

2010 heiratete Arterton den dreizehn Jahre älteren italienischen Manager Stefano Catelli im andalusischen Zuheros.