Tras comenzar su carrera en el teatro, logró el reconocimiento internacional por su papel en la serie de televisión The X-Files donde interpreta a la agente especial Dana Scully. Entre las películas en que ha participado se encuentran La casa de la alegría (2000), El último rey de Escocia (2006), Johnny English Reborn (2011) y dos películas de The X-Files, The X-Files: Fight the Future (1998) y The X-Files: I Want to Believe (2008). En 2019 interpretó a Jean Milburn en la serie de Netflix Sex Education y en el año 2020 interpretó a Margaret Thatcher en la cuarta temporada de la serie The Crown.

I want to believe

En 1992 se mudó a Los Ángeles. Irrumpió en la televisión convencional en una aparición como invitada en el drama colegial, Class of "96" de la cadena Fox, que la volvería a llamar para el casting piloto de X Files. Con 24 años, a Anderson se la consideró demasiado joven para el personaje y, en un principio, tuvo que aparentar tener más edad para obtener el papel. Por otro lado, los directivos de la cadena Fox no estaban convencidos con el perfil de Anderson para el personaje, pero el creador de la serie Chris Carter, tan pronto la vio, quiso que fuese la protagonista de la serie.

Finalmente, Gillian Anderson consiguió el papel para 13 episodios que, debido al éxito, se ampliaron a nuevas temporadas. Las cinco primeras temporadas se filmaron en Vancouver, Canadá y las otras cuatro en Los Ángeles. Anderson ganó varios premios por su interpretación de la agente especial Dana Scully, incluyendo un premio Emmy, un Globo de Oro y dos Screen Actors Guild en dos años seguidos como Mejor Actriz en una serie dramática.

Lidiando con Hannibal y Elizabeth II

El 3 de febrero de 2012, se daba la noticia de que Anderson había sido elegida para el papel principal de la nueva serie dramática de la BBC The Fall. Ese mismo año recibió el premio a la "Excelencia Artística" en el festival Roma Fiction. Ha trabajando también en la serie Hannibal, interpretando a la Dra. Bedelia Du Maurier, psicoterapeuta de Hannibal Lecter. En marzo de 2014 tomó el papel protagonista en la serie de la NBC, Crisis. Desde 2019 trabaja en la serie Sex Education en la que interpreta a la madre sexóloga de Otis (Asa Butterfield). También en 2020 realizó el papel de Margaret Thatcher para la cuarta temporada de The Crown junto a Olivia Colman y Emma Corrin. Por el cual fue mayoritariamente elogiada, descrita por el biógrafo personal de la primera ministra como la “Única Thatcher convincente”.