Артемизия, старшая дочь тосканского художника Орацио Джентилески и его жены Пруденции Монтоне, родилась в Риме 8 июля 1593 года, в то же время в её свидетельстве о рождении из городского архива указано, что она родилась в 1590 году. Мать умерла, когда дочери было двенадцать.
Артемизия изучала живопись в мастерской отца, и более успешно, чем её братья, которые также работали в мастерской Орацио. Её первая известная работа — «Сусанна и старцы» (1610, коллекция Шёнборн в Поммерсфельден), одно время считалась работой Орацио, которому ассистировала дочь.
В 1612 году она была изнасилована флорентийским художником Агостино Тасси, работавшим вместе с её отцом. После семимесячного судебного разбирательства, унизительного и мучительного для Артемизии, Тасси был признан виновным и приговорён к году тюрьмы. Переживания художницы получили выражение в её 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 за художника Пьерантонио Стиаттеси (брак устроил её отец), Артемизия в том же 1612 году переехала во Флоренцию. Работала под покровительством Козимо II Медичи, дружила с Галилеем. В 1621 году 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 годом переехала в Неаполь. В неаполитанский период художница впервые получила заказ на фресковую роспись церкви — в городке Поццуоли под Неаполем. В 1638—1641 годах жила и работала в Лондоне вместе с отцом под покровительством Карла I. Затем вернулась в Неаполь, где и жила до кончины. Артемизия Джентилески нередко сравнивается с Караваджо.
Первая женщина, избранная в члены Академии живописного искусства во Флоренции — первой художественной Академии Европы.