Sławę zyskała dzięki roli racjonalnej agentki FBI i lekarki Dany Scully w serialu " Z archiwum X" (z ang. "X-Files"). Przez 11 sezonów Anderson wraz z Davidem Duchovnym w roli agenta Foxa Muldera tworzyła jedną z najpopularniejszych serialowych par.
Po zakończeniu oryginalnej emisji "Z archiwum X" Gillian Anderson skupiła się na rozwoju kariery w Wielkiej Brytanii. Od 2002 roku mieszka aktorka w Londynie, gdzie występuje w teatrach.
Po ukończeniu 40 lat jej kariera ponownie nabrała rozpędu. Anderson zyskała uznanie publiczności i krytyków główną rolą w rozgrywającym się w Irlandii Północnej serialem "The Fall" ("Upadek"), w którym jako nadinspektor policji Stella Gibson poluje na seryjnego mordercę grasującego w Belfaście. Serial był kręcony w latach 2013-2016, ale dzięki pojawieniu się na platformie Netflix w 2021 roku zyskał popularność. Anderson zagrała również w innym popularnym serialu na Netflixie - "The Crown" w roli byłej pani premier Margaret Thatcher. Obecnie gra w takich produkcjach jak "Sex Education" czy "Wielka", opowiadającym o życiu Katarzyny II.
Gillian Anderson określa się jako feministka i aktywnie walczy o prawa kobiet, w tym prawa reprodukcyjne, prawa kobiet w Afganistanie czy o ochronę kobiet i dzieci przed przemocą domową. Jako aktywistka angażuje się również w ochronę praw rdzennej ludności, praw dzieci oraz w promocję badań nad nerwiakowłókniakowatością, chorobą na którą zmarł jej brat Aaron w 2011 roku. Anderson ma trójkę dzieci i dwukrotnie wychodziła za mąż. Pierwsze dziecko, z asystentem reżysera serialu "X-files", urodziła w trakcie kręcenia serialu. Jego ojcem chrzestnym został showrunner Chris Carter, który nazwał na jego cześć jeden z odcinków " Z archiwum X" - Piper Maru".
