Es hija de Edward Anderson, que trabaja en una empresa de post-producción y de Rosemary, que es analista informática. Tiene dos hermanos menores, Aaron, que padece un desorden genético llamado neurofibromatosis quística y progresiva y Zoe (la cual apareció en un capítulo de la quinta temporada de Expediente X titulado Christmas Carol, en el que interpretaba a Dana Scully adolescente). En 1992, con poca experiencia profesional, se presentó a las pruebas de una nueva serie de televisión titulada The X-Files. El creador de ésta al verla exclamó: "ya he encontrado a mi Dana Scully"; Carter tuvo que luchar duramente para que los directivos de la cadena Fox la aceptaran como protagonista de la teleserie, pues según ellos Gillian Anderson no cumplía con el perfil que ellos buscaban. Finalmente Carter los convenció y Anderson, con el tiempo demostró su gran talento como actriz a la hora de interpretar a la doctora Scully. Durante la filmación de la primera temporada se enamoró de uno de los directores artísticos de la serie, Clyde Klotz, con el que se casó el 1 de enero de 1994 en el hoyo nº17 de un campo de golf en una ceremonia oficiada por un sacerdote budista. Al poco tiempo de casarse quedó embarazada, lo cual supuso un problema, puesto que este aspecto no podía ser incluido dentro de la trama de The X-Files. En un principio, los guionistas consideraron que esto era lo peor que les podía acontecer, pero con el tiempo se dieron cuenta de que gracias a esta situación crearon el arco argumental más importante de la serie: la abducción de Scully. La hija de Gillian Anderson nació el 25 de septiembre de 1994, nombrada Piper Maru; en su honor, uno de los capítulos de la serie se llamó de esta manera. Gracias a su gran interpretación del personaje, logró alcanzar numerosos premios, incluidos el Emmy y el Globo de Oro y un sinfín de nominaciones a otros premios. Se divorció de Klotz en 1997, y ambos tienen la custodia compartida de su hija. Se casó en segundas nupcias con el periodista Julian Ozanne el 29 de diciembre de 2004 en Kenia. En abril de 2006 Anderson se separó de Julian Ozanne. En julio de ese mismo año anunció que estaba embarazada de su segundo hijo. El padre es un hombre de negocios llamado Mark Griffiths. El 1 de noviembre de 2006, en Londres, Gillian dio a luz a su hijo, un varón al que ha llamado Oscar. Anderson está muy vinculada a causas humanitarias. Entre sus nuevos proyectos por estrenar destacan "A Cock and Bull Story", del director Michael Winterbotton y "The Mighty Celt" junto al actor Robert Carlyle Recientemente ha participado en el rodaje, en Uganda, de la adaptación de la novela "The Last King of Scotland" junto al actor Forest Whitaker. En el 2007 estrenará dos películas: Straightheads y No One Gets Off In This Town.