父は映画監督のブルース・パルトロウ、母は女優のブライス・ダナー。米ロサンゼルス州立大学に美術史専攻で入学した後に演技の道へ転向し、母親と舞台に立ちながら演技を学ぶ。1991年、「過ぎゆく夏」で映画デビューし、映画「セブン」（95）では、共演したブラッド・ピットとの交際も含めて注目を浴びた。「恋におちたシェイクスピア」（98）でアカデミー主演女優賞を受賞。以降「リプリー」（99）、「愛しのローズマリー」、「ザ・ロイヤル・テネンバウムズ」（ともに01）などに出演する。マーベル映画「アイアンマン」シリーズ（08～13）では、ロバート・ダウニー・Jr.演じるトニー・スターク／アイアンマンの相手役ペッパー・ポッツ役を演じ、「アベンジャーズ」シリーズ（12～19）や「スパイダーマン ホームカミング」（18）などにも顔を出す。私生活では、英ロックバンド「コールドプレイ」のボーカリスト、クリス・マーティンと結婚し2児をもうけたが離婚。自身が手がけるライフスタイルブランド「Goop」も有名。
