A l'âge de 2 ans, Gillian Anderson débarque à Londres avec ses parents originaires du Michigan. Elle passe ses études primaires au Coleridge Primary School de Crouch End dans le Nord de la capitale anglaise. Onze ans plus tard, la comédienne retourne vivre avec ses proches dans le Michigan et voit sa famille s'agrandir avec les naissances d'un petit frère et d'une petite soeur. Elève du City High School de Grand Rapids, Gillian auditionne pour un rôle dans une pièce de l'école. La passion qu'elle se découvre pour la comédie vient balayer ses ambitions originelles : devenir une biologiste pour la marine ou une archéologue.

La période du lycée entérinée en 1986, Gillian choisit d'intégrer l'Université DePaul à Chicago, spécialisée dans le théâtre. A 22 ans, forte d'une solide formation théâtrale et d'un diplôme des beaux-arts, elle se lance à la conquête de New York pour devenir une actrice à part entière.

En 1990, elle décroche son premier grand rôle dans la pièce de Broadway intitulée Absent Friends et sa prestation lui vaut un Theater World Award. Dans la foulée, elle participe à la pièce The Philanthropist. Néanmoins, Anderson choisit de quitter New York pour Los Angeles, avec l'espoir de se faire une place dans le 7ème art. La désillusion est au rendez-vous. Au terme de l'année 1992, elle n'obtient qu'un rôle sommaire dans le long-métrage The Turning qui se solde par un énorme flop. Certes, elle ne se décourage pas et pense trouver le salut du côté de la télévision.

Après un bref passage dans un show télévisé intitulé Promo 96, elle auditionne pour le rôle de l'agent Dana Scully, personnage clé de la prochaine série de la Fox... X-Files. Elle est retenue et se déroule alors sous ses pieds le tapis de la consécration ! Le duo qu'elle forme avec David Duchovny fonctionne à merveille et la série devient culte dans le monde entier. Ce rôle en or lui vaut une flopée de prix : deux Screen Actors Guild Award en 1996 et 1997, un Emmy Award et un Golden Globe Award en 1997 ! X-Files s'arrête en 2002 après 9 saisons. Entre les 6ème et 7ème saisons, la comédienne tourne The X Files, le film, un long métrage adapté de la série. Elle fera une deuxième incursion dans le cinéma en 1998 en tournant aux côtés de Sharon Stone dans le drame Les Puissants de Peter Chelsom.

A la suite de l'aventure paranormale, Gillian Anderson enchaîne les films : en 2001 Chez les heureux du monde, en 2005 Traque sanglante et The Mighty Celt, en 2006 Vengeance à froid et Tournage dans un jardin anglais et en 2007 Le Dernier roi d'Ecosse de Kevin McDonald... Méconnaissable, elle participe également en 2005 à la série britannique Bleak House. 2008 marque le retour tant attendu du célèbre duo de la série X-Files avec le long-métrage X Files - Régénération, réalisé par Chris Carter.

L'inoubliable interprète de l'agent spécial Dana Scully retourne ensuite vers la petite lucarne en tournant dans les séries TV Any Human Heart, Great Expectations et The Fall. L'actrice revient au cinéma en 2011 dans un registre plus léger. En effet, on la retrouve dans la comédie déjantée Johnny English, le retour aux côtés du très populaire acteur britannique Rowan Atkinson. La comédienne reste en Angleterre en 2012 pour tourner sous la direction James Marsh dans le thriller Shadow Dancer. Anderson y donne la réplique à Clive Owen et Andrea Riseborough.