Gillian Leigh Anderson va naître à Chicago, mais ses parents, Edward et Rosemary, déménagent pour Porto Rico pendant 15 mois puis vont s’installer en Angleterre à Stamford Hill dans le nord de Londres. Son père étudie les techniques et la production de film et sa mère est analyste en informatique.
Neuf ans plus tard, la famille Anderson revient aux Etats-Unis et s’installe à Grand Rapids dans le Michigan. Gillian souhaite devenir archéologue ou biologiste marine, mais elle est aussi très attirée par la comédie. Au lycée, elle joue dans une pièce de théâtre ‘Roméo et Juliette’ et décide de s’orienter définitivement vers la comédie.
Adolescente, Gillian est victime de moqueries à cause de son accent anglais. Elle se rebelle en se teignant les cheveux et en adoptant un look punk avec des tenues provocantes et un piercing dans la joue (une épingle à nourrice). Elle se fait arrêter par la police après avoir tenté de bloquer les portes de son lycée.
Malgré ses excentricités, elle sort diplômée, en 1986, de l’université de d’art dramatique Depaul.
Gillian part pour New-York, où elle est bassiste dans un groupe punk et gagne sa vie comme serveuse. A New-York, elle décroche quelques petits rôles dans des pièces de théâtre et joue dans un film à petit budget.
Après avoir obtenu une récompense pour son rôle dans la pièce ‘Absent Friend’ en 1991, Gillian part s’installer à Los Angeles pour faire décoller sa carrière de comédienne, mais elle refuse systématiques tout rôle pour la télévision. Car Gillian s’était juré de ne jamais venir à Los Angeles et de ne jamais apparaître dans une série télévisée.
Pourtant en 1993, elle auditionne pour la série ‘X-Files’, les producteurs cherchant une jeune fille sexy et rayonnante ne retiennent pas sa candidature. Mais Chris Carter, le créateur décide que ce sera Gillian et personne d’autre qui interprétera Dana Scully.
Elle accepte finalement le rôle et part pour Vancouver (Canada) pour le tournage. Pendant la première saison, Gillian tombe amoureuse de Clyde Klotz et part se marier à Hawaï lors d’un week-end. La même année, elle tombe enceinte et assume les tournages jusqu’au terme de sa grossesse. La série ayant un tel succès qu’il est impossible de remplacer Gillian. Elle ne prend qu’un congé maternité de 10 jours et accouche le 25 septembre 1994. Malgré sa fatigue physique, elle reprend le chemin des studios 6 jours seulement après son accouchement par césarienne.
En 1996, Gillian est élue N°1 des 50 plus belles femmes du monde par People Magazine, puis en 1997, elle reçoit l’Emmy Award de la meilleure actrice de série télévisée, ainsi que le Golden Globe. La même année, elle divorce de Clyde et élève seule sa fille, Piper Maru.
En 1998, outre le film X-Files, Gillian apparaît aussi dans le film ‘Les Puissants’ et en 2000 dans ‘Chez les Heureux du Monde’. En plus de la série, elle participe au doublage du film d’animation ‘Princesse Mononoke’.
Après 200 épisodes et 9 saisons, la série X-Files se termine en mai 2002 et Gillian décide de repartir pour l’Angleterre pour s’installer à Londres.
En 2003, elle retrouve les planches et joue dans la pièce ‘What The Night is For’ puis enchaîne, en 2004, avec une autre pièce ‘The Sweetest Swing in Baseball’. Son talent de comédienne est reconnu par l’ensemble des critiques et de la presse.
Gillian s’engage pour défendre la cause Africaine et particulièrement les orphelins atteint du SIDA. En décembre 2004, elle épouse le reporter Julian Ozanne au Kenya pour divorcer en juillet 2006.
Elle retourne vers la télévision avec la série Bleak House dans le rôle de Lady Dedlock et apparaît au cinéma dans le film Le Dernier Roi d’Ecosse au côté de Forest Whitaker.
Le 1er novembre 2006, Gillian accouche d’un petit garçon prénommé Oscar, issu de sa liaison avec Mark Griffiths, son nouveau compagnon.
En 2008, Gillian est à l’affiche du deuxième opus de X-Files et annonce qu’elle attend un second enfant de Mark Griffiths.