Über sich selbst sagt der The X-Files-Star „Ich habe feministische Knochen, wenn ich sehe, wie jemand in einer gewissen Weise mit Frauen umgeht, dann habe ich nur wenig Toleranz.“
Als Kleinkind lebt sie mit ihren Eltern für 15 Monate in Puerto Rico. Später wohnt die Familie für mehrere Jahre in London, Großbritannien. Im Alter von elf Jahren zieht Gillian Anderson mit ihren Eltern nach Michigan, USA. Schon während ihrer Schulzeit beginnt sie sich für das Schauspielen zu interessieren und übernimmt Rollen in Schulaufführungen, im Gemeindetheater und macht ein Praktikum im örtlichen Theater. 1990 legt sie ihren Abschluss am The Theatre School at DePaul University in Chicago ab. Um ihre Schauspielkarriere zu starten zieht Anderson nach New York, wo sie anfangs als Kellnerin ihren Lebensunterhalt verdient.
Für ihre erste Rolle am New Yorker Theater erhält sie den Theatre World Newcomer Award. 1992 zieht die Schauspielerin nach Los Angeles und ändert dort nach einem Jahr ohne ein Engagement ihre negative Meinung über Fernsehrollen und übernimmt 1993 eine Rolle im College-Drama Class of '96. Daraufhin wird ihr von Produzent Chris Carter die Rolle der Dana Scully in der Mysteryserie The X-Files angeboten. Der Sender FOX hingegen will eine Schauspielerin, die über mehr TV-Erfahrung und größeren Sex-Appeal verfügt. Doch Carter setzt sich durch und Gillian Anderson erhält die weibliche Hauptrolle der Special Agent Dana Scully neben David Duchovny, die sie zunächst für neun Staffeln bis 2002 und in zwei Filmen (1998 und 2008) verkörpert. Für ihre Leistung in The X-Files wird sie mit dem Emmy, dem Golden Globe und zwei Screen Actors Guild Awards ausgezeichnet.
Während der Dreharbeiten für The X-Files übernimmt Gillian Anderson nur wenige Filmrollen, darunter „Playing by Heart“ (1998) und „The House of Mirth“ (2000). Nach dem Ende der Serie spielt sie erneut am Theater und arbeitet Sprecherin in Dokumentationen. Für ihre Rolle in der Miniserie Bleak House (2005) wird sie für den Emmy, den BAFTA-Award und den Golden Globe nominiert und gewinnt den Broadcasting Press Guild Television and Radio Award.
Neben seltenen Auftritten in Filmen wie in „The Last King of Scotland“ (2006), „How to Lose Friends & Alienate People“ (2008) und „Johnny English - Jetzt erst Recht“ (2011) spielt Anderson hauptsächlich in Serien für das britische Fernsehen mit. In Any Human Heart (2010) ist sie als Herzogin von Windsor zu sehen. Ebenfalls 2010 übernimmt sie die Rolle der Elisabeth im Zweiteiler Moby Dick. In der TV-Adaption des Charles Dickens Romans Great Expectations ist sie 2011 als Miss Havisham zu sehen.
2012 übernimmt Gillian Anderson die Hauptrolle in der britischen Thriller-Serie The Fall. Außerdem ist sie im August 2012 in der Hollywoodproduktion „Shadow Dancer“ und im Drama „L'enfant d'en haut“ zu sehen. Für das Jahr 2013 bucht sie eine größere Rolle als Dr. Bedelia Du Maurier in der NBC-Serie Hannibal und kehrt damit zum ersten Mal seit zehn Jahren längerfristig ins US-Fernsehen zurück.
Im selben Jahr übernimmt sie die Hauptrolle in der gefeierten Krimiserie The Fall. 2016 feiert sie gemeinsam mit vielen früheren Kollegen das Revival von The X-Files, wovon FOX zwei neue Staffeln bucht.
2017 begeistert sie Fans als wandelbare Göttin Media in der Serie American Gods.
Gillian Anderson und ihr Partner Mark Griffith gaben im August 2012 ihre Trennung bekannt. Sie waren seit 2006 zusammen und haben zwei gemeinsame Söhne, Oscar (*2006) und Felix (*2008). Zuvor war die Schauspielerin zweimal verheiratet. Von dem Dokumentarfilmer Julian Ozanne ließ sie sich 2006 nach zweijähriger Ehe scheiden. Ihren ersten Ehemann, Clyde Klotz, lernte sie am Set von The X-Files kennen und war mit ihm von 1994 bis 1997 verheiratet. Die beiden haben eine gemeinsame Tochter (Piper Maru *1994). Anderson lebt in London.
Die Darstellerin Gillian Anderson engagiert sich für verschiedene soziale Projekte und ist unter anderem ein aktives Mitglied der PETA.