Как все художницы эпохи, дочь живописца. Ее отец — Орацио Джентилески, принадлежал к школе Караваджо.
Мать умерла, когда дочери было двенадцать. В 1612 она была обесчещена флорентийским художником Агостино Тасси, работавшим вместе с ее отцом. После семимесячного судебного разбирательства, унизительного и мучительного для Артемизии, Тасси был признан виновным и приговорен к году тюрьмы. Переживания художницы получили выражение в ее наиболее знаменитой работе «Юдифь, обезглавливающая Олоферна» (1612—1613). К этому сюжету она несколько раз возвращалась, другие повторяющиеся сюжеты Джентилески — Лукреция, Клеопатра, Царица Савская.
Выйдя замуж, художница в том же 1612 переехала во Флоренцию. Работала под покровительством Козимо Медичи II, дружила с Галилеем. В 1621 работала в Генуе, затем перебралась в Венецию, где познакомилась с Антонисом Ван Дейком и Софонисбой Ангиссола, затем вернулась в Рим, а между 1626 и 1630 переехала в Неаполь.
В неаполитанский период художница впервые получила заказ на фресковую роспись церкви — в городке Поццуоли под Неаполем. В 1638—1641 жила и работала в Лондоне вместе с отцом под покровительствоv Карла I. Затем вернулась в Неаполь, где и жила до кончины.
Первая женщина, избранная в члены Академии живописного искусства во Флоренции — первой художественной Академии Европы.
Роман об Артемизии был написан в 1944—1947 итальянской писательницей Анной Банти, в окончательной версии он приобрел форму дневника, имел большой успех, переведен на несколько языков. Затем биография Артемизии легла в основу драмы американской писательницы Венди Вассерштайн «Хроники Хейди» (1988) и пьесы «Жизнь без подсказки» канадской писательницы Салли Кларк (поставлена в 1988, 1989, 1990, 1991). В 1997 фильм «Артемизия» был снят французским кинорежиссером Аньес Мерле (в заглавной трели Валентина Черви). В 1998 роман о художнице был написан французской писательницей Александрой Лапьер. В 2002 стал международным бестселлером роман американской писательницы Сьюзен Вриленд «Страсти по Артемизии», он был немедленно переведен на 20 языков.

Картины художника