À l'âge de deux ans elle emménage à Londres où elle passe son enfance. Ce n'est qu'à l'adolescence qu'elle regagne les États-Unis. Elle s'installe dans le Michigan. À l'école, elle est victime de moqueries à cause de son accent anglais. Elle se rebelle et sort avec un chanteur punk de 20 ans. Elle se teint les cheveux, porte des tenues plutôt provocantes... Elle se découvre une passion pour le théâtre et sort diplômée de l'université d'art dramatique de Chicago. Elle part pour New York et gagne sa vie comme serveuse tout en jouant dans de petites pièces. Elle déménage à Los Angeles pour tenter de percer dans le métier tout en refusant obstinément tout rôle à la télévision. Finalement, après une rencontre avec Chris Carter, elle accepte le rôle de Dana Scully dans The X-Files, aux côtés de David Duchovny. Durant la première saison, elle épouse Clyde Klotz, le directeur artistique. Elle devient enceinte la même année. Elle n'est pas remplacée pour autant. La série rencontre un véritable succès et Gillian devient une véritable star. En 1997, elle reçoit l'Emmy Award de la meilleure actrice télévisée. Gillian divorça en 1997 et éleva sa fille Piper Maru (née le 25 septembre 1994) dans sa maison à Vancouver, Canada puis à Los Angeles jusqu'à la fin de la série. Elle réalisera par ailleurs un seul épisode de la série : Saison 7 épisode 17 : Existences . Elle a été élue la femme la plus belle du monde en 1996 par le magazine FHM. De plus, elle a présenté l'émission Future Fantastic, sur les thèmes de la science-fiction. Depuis la fin de la célèbre série (mai 2002), elle a déménagé à Londres afin de retrouver ses racines. 2003 marqua son retour sur les planches du West End avec la pièce What The Night Is For avec Roger Allam. Un an plus tard, elle réitère cette fois-ci sous la direction de Rebecca Gilman dans la pièce The Sweetest Swing In Baseball qui lui valut un large succès ponctué de critiques particulièrement élogieuses. La même année, elle épousa au Kenya le journaliste Julian Ozanne. En 2005, Gillian qui ne voulait plus jouer dans une production télévisuelle, se voit offrir le rôle de Lady Dedlock dans Bleak House, adaptation de célèbre roman de Charles Dickens. Pour sa magistrale interprétation, elle fut nominée aux Bafta et aux Emmy Awards en 2006. Malheureusement elle ne remporta pas les prix qui lui étaient pourtant personnellement destinés d'après les critiques de presse. La même année, elle apparut dans Tristram Shandy: A Cock And Bull Story de Michael Winterbottom ainsi que dans Le Dernier Roi d'Écosse aux côtés de Forest Whitaker et de James McAvoy où elle y interprète le rôle de femme du médécin, Sarah Merrit. Elle tourna la même année Straightheads, un thriller de Dan Reed aux côtés de Danny Dyer. En début d'année 2006, elle se sépare de son compagnon après un an de mariage et des années de vie commune. Après avoir traversé cette épreuve, Gillian est de nouveau plus heureuse que jamais puisqu'elle annonça en fin d'année qu'elle attendait un heureux évènement avec son nouveau compagnon, l'homme d'affaires Mark Griffiths. Elle accouche le 1er novembre 2006 d'un petit garçon nommé Oscar. En juin 2008, elle annonce qu'elle attend son deuxième enfant avec Mark Griffiths. Gillian a accouché de son troisième enfant le 15 octobre 2008, il se prénomme Félix. En décembre 2007, cinq ans après la fin de la série, elle prend part, ainsi que son ancien collègue David Duchovny, au tournage du film The X-Files: Régénération (The X-files: I Want to Believe) qui sort le 30 juillet 2008 en France.
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“ J'étais obsédé par The House of Mirth à sa sortie. Gillian Anderson m'avait ébloui. Funeste spirale. L'un de mes films de chevet, carrément ”— onthecroisette10 juin 2011
“ Un plaisir que de retrouver Anderson avec un rôle aux antipodes de celui de Scully, dans cette chasse à l'homme qui démarre très bien. ”— JulienSG21 mai 2014
“ Au moyen d'une mise en scène d'une élégance dingue, Davies dépeint la chute bouleversante d'une femme digne. Magnifique Gillian Anderson. ”— Flol 3 janvier 2017
“ Sublime. Les rapports humains dans ce qu'ils ont de plus terrible ; hypocrisie, fausse amitié, cupidité. G.Anderson y est extraordinaire. ”— isa_de_la_montal15 mai 2020
“ Un très sympathique thriller d'espionnage sur fond de l'IRA
Agréable surprise aussi d'y retrouver Gillian Anderson "Dana Scully" (X-Files) ”— Cinephile_NostalGeek 8 février 2013