Gretchen Mol s-a nascut pe 8 noiembrie 1972, in Deep River, Connecticut. Tatal ei era director la o scoala locala, iar mama artist. Parintii ei au divortat cand Gretchen era doar un copil. Mol a crescut intr-o casa in care creativitatea si imaginatia erau la ele acasa. A crescut alaturi de mama ei si fratele Jim, care isi dorea sa devina regizor de film. Din aceasta cauza, Mol a fost un subiect de inspiratie pentru fotografiile realizate de mama ei, si model pentru filmuletele realizate de catre fratele ei.
Desi Gretchen a avut parte de o educatie normala, inca de la inceput a inclinat catre performanta. A studiat teatrul muzical, a cantat in corul scolii si a urmat cateva cursuri de dans. Gretchen s-a mutat in New York dupa absolvirea liceului, s-a inscris la Academia Americana de Muzica si Arta Dramatica si a avut parte de primele sale aparitii pe scena. Pentru a putea supravietui, a fost nevoita sa isi caute o slujba normala. Aceasta slujba s-a dovedit a fi mare ei sansa. In timp ce lucra intr-un restaurant in New York in 1996, un agent a descoperit-o si i-a oferit sansa de a aparea intr-o reclama pentru Coca Cola iar mai tarziu, in serialul TV "Spin City".
Gretchen a debutat in cinematografie cu rolul din "Girl 6", in 1996, regizat de catre Spike Lee. Gretchen a primit un rol secundar in acest film. Imediat au urmat cateva roluri mici in filme precum "The Funeral" in 1996, "Donnie Brasco" in 1997, si "The Last Time I Committed Suicide" in 1997. In 1998 a primit inca un rol de "iubita", aparand alaturi de celebrul Matt Damon in "Rounders". Acest rol a transformat-o peste noapte intr-o celebritate. Mol a aparut pe copertile mai multor reviste, inclusiv pe coperta revistei Vanity Fair ce a numit-o ultima mare "achizitie" a Hollywood-ului.
In 1998 a jucat impreuna cu Jude Law in "Music from Another Room" si a avut parte si de o scurta aparitie in show-ul lui Woody Allen, "Celebrity". Anul 1999 a gasit-o pe Gretchen implicata intr-un alt proiect al lui Woody Allen, "Sweet and Lockdown". In acelasi an a mai aparut in filmul lui Tim Robbins, "Cradle Will Rock" si in productia "Forever Mine" alaturi de Ray Liotta si Joseph Fiennes.
Desi din ce in ce mai putine proiecte se iveau pentru Mol, aceasta a refuzat sa renunte doar pentru ca a fost marginalizata de catre "masina de publicitate" a Hollywood-ului. Dupa cateva roluri minore in "Rules of Attraction" (2000) si "Get Carter" (2000), Gretchen s-a indreptat catre televiziune. A aparut in filmul de televiziune "Picnic" in 2000, iar apoi in productia fratelui ei Jim, "Freshening Up" in 2002. In acelasi an 2002 a mai primit si un rol in filmul "The Magnificent Ambersons", un remake dupa filmul cu acelasi nume al lui Orson Welles.
In acelasi an, Gretchen a primit un rol si in serialul TV "Girls Club". Din pacate, acest serial nu a rezistat. In 2003, Mol a jucat in"The Shape of Things", acesta fiind unul dintre cele mai importante roluri pe care le-a primit in televizune.
In anul 2004, Gretchen s-a maritat cu scenaristul si directorul Tod "Kip" Williams si a aparut in productia "Heavy Put Away". In anul 2005, cariera ei a cunoscut o mare imbunatatire atunci cand Gretchen a acceptat un rol sexy in "The Notorious Bettie Page", film ce a fost deosebit de bine primit la Festivalul de Film de la Toronto. In continuare, a mai primit cateva roluri in productii precum "Puccini for Beginners" in 2006 si in filmul de televiziune "The Valley of Light" in 2006.
Pe langa aparitii in filme pentru micul si marele ecran, intre 2008-2009 a aparut in serialul Life on Mars, iar in perioada 2010-2014 in Boardwalk Empire. In 2015 a interpretat rolul Nina, aparand in 8 episoade din Mozart in the Jungle, iar in 2016 a aparut in serialul Chance.
