Née dans le Connecticut et diplômée du William Esper Studio, elle a débuté au cinéma dans Girl 6 de Spike Lee. On a pu la voir dans Nos funérailles de Abel Ferrara, Les joueurs de John Dalh et Celebrity de Woody Allen. Elle a également joué face à Ray Liotta et Joseph Fiennes dans Les amants éternels de Paul Schrader et dans Just looking de Jason Alexander.

Gretchen Mol a tenu le rôle-titre dans The notorious Bettie Page de Mary Harron qui fut très remarqué au Festival de Toronto en 2005. Elle a également tenu l’un des rôles vedettes de Puccini et moi de Maria Maggenti et a tourné le film Trainwrecked : my life as an idiot.

Au cours de l’hiver 2003-2004, elle a joué Roxie Hart dans Chicago à Broadway. Auparavant elle avait tenu l’un des rôles principaux de l’adaptation cinéma de Fausses apparences de Neil Labute avec Paul Rudd, Rachel Weisz et Fred Weller.