Gillian Leigh Anderson est née à Chicago, dans l'Illinois, mais a vécu avec sa famille à Londres jusqu'à l'âge de 11 ans. Installée ensuite dans le Michigan, à Grand Rapids, elle rallie une troupe de théâtre amateur durant ses études secondaires, et poursuit sa formation à la Cornell University d'Ithaca puis à la Goodman Theater School à Chicago. Après s'être fixée à New York, elle tient un des rôles principaux de "The Philanthropist", de Christopher Hampton, au Long Wharf Theater, et remporte le Theater World Award pour sa prestation dans la pièce d'Alan Ayckbourn, "Absent Friends". Après un petit rôle au cinéma dans le drame The Turning, elle est choisie par Chris Carter pour devenir, dans la série "The X-Files", Dana Scully.