Джиллиан родилась в пригороде Чикаго 9 августа 1968 года в семье Эдварда и Розмари Андерсон. Ее отец был кинопрокатчиком и их семье приходилось много раз переезжать. Юность Джиллиан прошла в Лондоне, где ей пришлось бороться со своим американским акцентом из-за насмешек сверстников, а после переезда обратно в Америку, Джиллиан снова училась говорить как американка, потому что над ней стали смеяться из-за ее английского акцента.
Джиллиан полюбила Лондон, и не в силах простить своим родителям внезапного переезда, вернулась в Англию, где кардинально сменила образ. Выражением ее протеста всему миру стали выбритые виски, высокий ирокез и огромные армейские ботинки. Образ Даны Скалли, созданный ею позже, трудно примерить к молодой Джиллиан, образ жизни которой был далеким от целомудрия: алкоголь, наркотики, беспорядочные связи, конфликты с полицией.
Но Джиллиан вовремя очнулась, поступив назло всем в театральное училище в родном Чикаго. До 1990 года она играла в театре и кино в небольших ролях и даже получила Мировую театральную премию за роль в пьесе «Отсутствующие друзья». Постоянная нехватка средств вынуждала Джиллиан подрабатывать официанткой, но это только укрепило ее боевой дух.
В начале девяностых Крис Картер уговорил членов комиссии на кастинге сериала «Секретные материалы» принять Джиллиан на роль агента ФБР, хотя по замыслу, партером Дэвида Духовны должна была стать высокая блондинка с большим бюстом. Картер настоял на невысокой рыжей Андерсон, утверждая, что именно такой он видит агента Дану Скалли.
«Служебный роман» с арт-директором съемочной группы сериала «Секретные материалы» Клайдом Клотцем едва не разрушил весь успех культового сериала. У Джиллиан был подписан контракт на съемки, и для всех стало огромным сюрпризом, когда стало известно о том, что Андерсон беременна. После серьезного скандала Клотц был уволен, а Андерсон вынуждена была сниматься все девять месяцев беременности. Уже спустя несколько дней после родов она снова вернулась на съемочную площадку. Сценарная уловка Картера помогла Джиллиан родить – по сюжету ее похитили пришельцы и она могла не участвовать какое-то время в съемках.
Поговаривают, что жизнь Джиллиан Андерсон, которая всегда боялась остаться актрисой одной роли, сильно изменилась благодаря гадалке, которая посоветовала ей развестись с мужем и заняться воспитанием дочери Пайпер. Джиллиан последовала ее совету. В январе 2005 года актриса во второй раз вышла замуж. Избранником Андерсон стал кинопродюсер Джулиан Озанн.