Родилась 9 августа 1968 года в Чикаго. Полное имя - Джиллиан Ли Андерсон. У актрисы младший брат - Арон, и младшая сестра - Зое. Родители - Эдвард и Розмари Андерсон.
Когда Джиллиан было два года, ее семья переезжает в Лондон. Там девочка проводит свое детство. В одиннадцать лет она вместе со своей семьей возвращается обратно в США. Они поселяются в маленьком городке Грэнд Рапидс, штат Мичеган, где английский акцент Джиллиан вызывал насмешки у одноклассников. Выражая протест окружающему миру, Джиллиан скоро превращается в настоящего панка с раскрашенной головой, наколками и шипами. В четырнадцать лет Джиллиан увлекается двадцатилетним панком и иногда выступает вместе с его музыкальной группой. Этот "панковский период" в жизни будущей актрисы продолжался до окончания школы.
После получения диплома о среднем образовании, Джиллиан неожиданно для всех увлекается актерским ремеслом. Она начинает выступать на сцене местных театров и поступает в Театральную школу Гудмана при Чикагском университете, чтобы изучать изящные искусства. После окончания Театральной школы, Джиллиан отправляется в Нью-Йорк, где начинает принимать участия в постановках Вне-Бодвейских театров. Первая же театральная роль молодой актрисы приносит ей "Мировую Театральную награду".
Дебют Андерсон в кино состоялся в 1992 году в малобюджетной драме "Поворот". Фильм не получил известности. Джиллиан после этого участвует еще в одной театральной постановке, а затем уезжает в Лос-Анджелес.
Вероятно, актриса хотела сниматься в кино, а поэтому сначала не соглашалась на более низкие по уровню роли в телевизионных сериалах. Однако она изменила свое мнение после проб для сериала "Секретные материалы". Создатели сериала сначала не собирались брать Джиллиан, образ которой, как им казалось, не подходил для этой роли. На роль напарницы Дэвида Духовны планировалось взять сексопильную блондинку. Однако благодаря настойчивости автора проекта Криса Картера, Джиллиан Андерсон все-таки утвердили. Так в 25 лет она появилась на телевизионных экранах в качестве агента ФБР Скалли. После показа первых серий стало ясно, что сериал будет иметь огромный успех. Через два года Джиллиан Андерсон и Дэвид Духовны стали известны не только в США, но и во всем мире.
1997 год стал годом расцвета "Секретных материалов", а значит - звездным для актрисы. За роль агента Скалли Джиллиан получила несколько наград, среди которых "Эмми" и "Золотой глобус". В этом же году по опросу журнала "People" Джиллиан Андерсон вошла в список пятидесяти самых красивых людей мира.На съемках сериала начался роман Джиллиан с художественным директором сериала Клайдом Клодцом. В тайне от всех они поженились 1 января 1994 года на Гаваях. 25 августа 1994 года у этой пары родилась дочь, Пайпер Мару. Это не помешало Джиллиан продолжить работу в сериале. Крёстным девочки стал автор "Секретных материалов" Крис Картер. Джиллиан развелась со своим мужем в 1997 году.
Огромный успех телевизионного сериала "Секретные материалы" привел к тому, что в 1998 году фильм с одноименным названием появился на киноэкранах. Он еще больше увеличил популярность Джиллиан Андерсон и Дэвида Духовны. Гонорар Андерсон за съемки в этом фильме составил 3 млн. $. Все дальнейшие работы Джиллиан также связаны с "Секретными материалами". Миллионами зрителей она теперь воспринимается только, как агент Скалли.