Arterton begann ihre Schauspielkarriere 2007 mit einer kleinen Rolle im Film St. Trinian’s. Bekanntheit erlangte sie durch ihre Rollen in den Filmen „Ein Quantum Trost“ (2008), „Prince of Persia:The Sands of Time“ (2010), „Kampf der Titanen“ (2010) und „Hänsel und Gretel:Hexenjäger“ (2013).
Auch auf der Bühne hatte Arterton Erfolg. Ihr West End-Debüt gab sie 2008 in dem Stück „Die Herzogin von Malfi“. Seitdem hat sie in mehreren anderen West End-Produktionen mitgewirkt, darunter The Little Dog Laughed (2010) und Nell Gwynn (2016).
Im Jahr 2010 gewann Arterton den BAFTA Rising Star Award. Sie wurde außerdem für zwei Olivier Awards nominiert.
Zu Artertons weiteren bemerkenswerten Filmen zählen Tamara Drewe (2010), The Disappearance of Alice Creed (2009) und Their Finest (2016).
Im Jahr 2020 spielte Arterton in dem Netflix-Film The King's Man. Sie wird voraussichtlich im kommenden Film The Pale Blue Eye mitspielen.
Arterton ist mit dem Schauspieler Rory Keenan verheiratet. Sie haben zwei gemeinsame Kinder.