Nacida el 27 de septiembre de 1972 en Los Ángeles (California), es hija del productor y director Bruce Paltrow y de la actriz Blythe Danner. Su padre era judío Ashkenazi de origen bielorruso y su madre es una cuáquera de origen alemán.
Antes de casarse con Chris Martin en el 2003 con el que tiene dos hijos, se involucró en romances con los actores Robert Sean Leonard, Brad Pitt, Mark Wahlberg, Ben Affleck, James Purefoy y Luke Wilson. Además hubo rumores que la vincularon sentimentalmente con el entonces príncipe español Felipe de Borbón actual Rey de España, con el productor musical de su amiga Madonna, Guy O'seary, y con los actores Scott Speedman, Aaron Eckhart y Viggo Mortensen.
En marzo de 2014 se separó de Chris Martin, el vocalista de Coldplay. La pareja lo comunicó a través de Goop, la página web de la actriz. Estaban juntos desde hacía 11 años y tienen dos hijos en común: Apple y Moses.
