Actrice qui s'est fait connaître pour ses rôles dans Emma et A Perfect Murder. Elle a remporté l'Oscar de la meilleure actrice pour son rôle dans le film Shakespeare in Love en 1998 et joue le rôle de Pepper Potts dans les films Iron Man et Avengers de Marvel.
Elle a voyagé en Espagne à l'âge de 15 ans pour apprendre l'espagnol et a étudié l'anthropologie à l'UCSB avant d'abandonner pour se consacrer à la comédie.
Elle a joué la petite amie de Brad Pitt dans le film Seven (1995) et a porté un gros costume pour son rôle dans Shallow Hal.
Elle a épousé Chris Martin de Coldplay en décembre 2003, et le couple a accueilli leur fille Apple en mai 2004 et un fils nommé Moses deux ans plus tard. Ils ont annoncé leur séparation en mars 2014. Elle a épousé le scénariste de télévision Brad Falchuk en 2018. Sa mère est l'actrice Blythe Danner et son père est le producteur de télévision Bruce Paltrow.
Steven Spielberg lui a donné le rôle de Wendy dans le film Hook (1991).