Родилась 9 августа 1968 года в Чикаго. Её отец был владельцем собственной компании, которая занималась пост-продакшеном фильмов, мать Джиллиан никак не была связана с кинематографом. В детстве Джиллиан Андерсон жила с семьёй в Пуэрто-Рико и в Лондоне. В 11 лет она снова оказалась с родителями в Соединённых Штатах, в Гранд-Рапидсе. Там девочка училась в средней школе по программе для одарённых детей. В 13 лет попала в театральный кружок, где начала с роли Джульетты. Педагоги были в восторге от игры молодой актрисы. Чуть позже девочку пригласили в Школу театрального искусства и Гражданский Театр Грэндс Рапидс. Чтобы осуществить свою мечту и стать актрисой (вопреки желанию родителей), Джиллиан Андерсон убежала из дома.
В 1986 году она поступила на актёрский факультет Чикагского Университета Депол, в театральную школу Гудмена. В 1990 году получила степень бакалавра изящных искусств и начала профессионально играть на сцене. В 1991 году завоевала престижную премию «Theatre World Awards» за игру в пьесе «Отсутствующие друзья». Затем долгое время она была практически без работы, отказываясь принимать участие в кастингах на роли в сериалах. Тем не менее, нужда заставила актрису пересмотреть своё отношение к многосерийным телепроектам.
В 1993 году она сыграла в эпизоде молодёжной многосерийной картины «Класс ‘96». И вскоре последовали пробы на главную роль в фильме «Секретные материалы». Джиллиан Андерсон была принята, благодаря тому, что на этом настоял сам автор идеи картины Крис Картер. И он не ошибся, остановив свой выбор на этой актрисе. За десять лет, пока сериал выходил на телеэкраны, героиня Дана Скалли полюбилась во всём мире, а имя Gillian Anderson стало своеобразным брендом. Актриса отдавала роли в «Секретных материалах» практически всё свободное время.
Долгое время она не снималась в полнометражных фильмах, но затем сыграла несколько ролей. После того как показ «Секретных материалов» закончился, Джиллиан Андерсон продолжила сниматься в голливудском кино – всего в её активе уже более двадцати фильмов. Среди последних картин с участием Андерсон – «Сердце всякого человека», «Джонни Инглиш 2», «Солд».