Джиллиан Андерсон родилась 9 августа 1968 года в Чмкаго, США. Отец будущей актрисы успешно вел бизнес в сфере кино индустрии, а мать преуспела в компьютерной аналитике. После рождения Джиллиан семья на 15 месяцев перебралась в Пуэрто-Рико, а затем переехала в Лондон, где ее отец обучался в Лондонской Киношколе. В одиннадцать лет будущая актриса вместе с родителями вернулась в США. В школе Джиллиан училась по специальной программе для одаренных детей и долго терпела насмешки со стороны одноклассников из-за своего английского акцента.
В тринадцать лет Андерсон увлеклась театром, а несколькими годами позже панк-движением и даже сбежала из дома. Получив среднее образование она поступила в театральную школу Гудмена при университете Де Поль. После нескольких успешных работ в театре в 1992 году Джиллиан дебютировала в кино, фильм «Перевоплощение» стал ее первым шагом на пути к славе.
Актриса перестала работать в театре, а ходить на пробы в теле проекты категорически отказывалась в результате чего почти год просидела без работы. Агенту уговорил ее пройти кастинг в молодежный проект «Класс 96», а затем свершилось поистине судьбоносное событие в карьере Андерсон, она легко прошла пробы в сериал «Секретные материалы». С этим проектом жизнь Джиллиан была связана в течении десяти лет, роль агента Скалли принесла ей мировую известность и огромную популярность.
Во время съемок в сериале «Секретные материалы» актриса неоднократно участвовала и в других теле и кино проектах. Среди ее работ стоит отметить фильмы «Дом радости», «Холодный дом», «Превратности любви» и сериалы «Большие надежды», «Крах», «Ганнибал».
Андерсон была два раза замужем. Первый раз за Клайдом Клотцем, а второй раз за Джуллианом Озэйном. У актрисы трое детей, девочка и два мальчика.