1991年，18歲的格溫妮斯·帕特洛在史蒂文·斯皮爾伯格執導的奇幻冒險電影《鐵鉤船長》中飾演少女時期的溫蒂 ?。1993年，主演愛情懸疑電影《無情大地有情天》，她憑借該片獲得美國國家影評人協會獎最佳女配角獎；同年，與妮可·基德曼合作出演驚悚犯罪電影《體熱邊緣》 ?。
1994年，與詹妮弗·杰森·李、坎貝爾·斯科特等聯合出演傳記電影《派克夫人的情人》；同年，與尼克·諾特合作主演愛情傳記電影《杰弗遜在巴黎》 ?。
1995年，與布拉德·皮特、摩根·弗里曼聯合主演劇情電影《七宗罪》，在片中飾演年輕貌美、溫柔體貼的妻子翠茜·密爾斯，她憑借該片入圍第22屆土星獎最佳女配角獎。1996年，與杰瑞米·諾森搭檔主演愛情喜劇電影《艾瑪》，在片中飾演出身高貴、漂亮且性格開朗的艾瑪 ?；同年，與大衛·休默合作主演愛情喜劇電影《出殯抱佳人》 ?。
1998年，與約翰·林奇、約翰·漢納聯袂主演愛情電影《滑動門》，在片中飾演一家公司做公關工作的海倫·奎利 ?；1月，與伊桑·霍克共同主演的愛情電影《烈愛風云》上映；6月，與邁克爾·道格拉斯合作主演的犯罪電影《超完美謀殺案》上映，她在片中飾演富豪史帝芬·泰勒的妻子艾蜜莉 ?，她憑借該片獲得百仕達娛樂獎最受歡迎女演員獎（懸疑類）；同年，與約瑟夫·費因斯搭檔主演愛情電影《莎翁情史》，她在片中飾演不顧當時女人不能粉墨登場的禁令，假扮成男人的薇拉夫人，憑借該片獲得第56屆金球獎電影類-音樂喜劇類最佳女主角獎、第71屆奧斯卡金像獎最佳女演員獎 ?。
1999年，與馬特·達蒙合作主演驚悚犯罪電影《天才雷普利》 ?。2000年，與本·阿弗萊克共同主演愛情電影《機票情緣》，在片中飾演老實人格里格的遺孀艾比；同年，由其出演的喜劇電影《風情萬種》上映 ?。
2001年，與杰克·布萊克搭檔主演愛情喜劇電影《庸人哈爾》，在片中飾演自卑膽小，不受男人歡迎的獨生女羅絲瑪麗·夏納罕；同年，與吉恩·哈克曼、安杰麗卡·休斯頓聯合主演劇情電影《特倫鮑姆一家》，在片中飾演愛瑟蓮·特倫領養的養女瑪葛·特倫。
2002年，出演由杰伊·羅奇執導的動作喜劇電影《王牌大賤諜3》 ?；同年，與艾倫·艾克哈特、杰瑞米·諾森聯袂主演愛懸疑電影《無可救藥愛上你》，她在片中飾演才華橫溢但又有點因循守舊的書呆子型女學者毛德·貝麗 ?。
2003年，與丹尼爾·克雷格共同主演傳記電影《瓶中美人》 ?；同年，與邁克·梅爾斯共同主演愛情喜劇電影《美國空姐》 ?。2004年9月17日，與裘德·洛、安吉麗娜·朱莉聯袂主演動作驚悚電影《天空上尉與明日世界》。
2005年，與安東尼·霍普金斯、杰克·吉倫哈爾聯合出演劇情電影《證據》，她在片中飾演數學家羅伯特的女兒，精神壓抑并伴有恐懼癥的凱瑟琳 ?，她憑借該片入圍第63屆金球獎電影類-劇情類最佳女主角獎 ?。
2006年，出演由瑞恩·墨菲執導的喜劇電影《夾縫求生》 ?；10月13日，與托比·瓊斯、西格妮·韋弗聯合出演的傳記電影《聲名狼藉》上映 ?。2007年，與佩內洛普·克魯茲、馬丁·弗瑞曼等聯袂主演愛情喜劇電影《晚安好夢》 ?；4月25日，由其出演的愛情電影《相思成災》上映 ?。
2008年，與小羅伯特·唐尼等聯合出演科幻動作電影《鋼鐵俠》，在片中飾演精明能干、性感迷人的女助手“小辣椒”維吉尼亞波茨，她憑借該片入圍第35屆土星獎最佳女主角獎。2009年2月13日，與杰昆·菲尼克斯合作主演的愛情電影《兩個情人》上映，她在片中飾演美麗的金發女郎米歇爾，她憑借該片入圍美國獨立精神獎最佳女主角獎，獲得佛羅里達影評人協會獎最佳女演員獎。
2010年，與加內特·赫德蘭合作主演音樂題材電影《鄉謠情緣》，她在片中飾演沉浮不定的鄉村音樂大明星凱莉，與一位年輕的作曲家一同籌辦自己的演唱會 ?；5月7日，由其出演的電影《鋼鐵俠2》上映 ?，她憑借該片入圍第12屆青少年選擇獎最佳科幻電影女演員獎。
2011年2月27日，她作為表演嘉賓出席第83屆奧斯卡頒獎禮，演唱她的入圍歌曲《回家》（《鄉謠情緣》的主題曲） ?；同年，與瑪麗昂·歌迪亞、馬特·達蒙聯合出演劇情電影《傳染病》。2012年，與小羅伯特·唐尼、克里斯·埃文斯聯合出演科幻動作電影《復仇者聯盟》。
2013年，由其出演的電影《鋼鐵俠3》上映 ?，她憑借該片入圍第15屆青少年選擇獎最佳動作電影女演員獎；同年，由其參演的電視劇《歡樂合唱團第五季》首播；9月，與馬克·魯弗洛、蒂姆·羅賓斯聯合主演的愛情喜劇電影《感謝分享》上映。
2014年，出演電視劇《網療記第四季》。2015年，與約翰尼·德普共同主演動作喜劇電影《貴族大盜》 ?，她憑借該片入圍第36屆金酸莓獎最差女主角獎 ?；8月21日，在《福布斯》公布的全球最高薪女星排行榜中，以年收入900萬美元，排第12名。
2017年，出演由喬·沃茨執導的科幻動作電影《蜘蛛俠：英雄歸來》 ?；同年，與安東尼奧·班德拉斯合作主演傳記電影《33天》。2018年，出演電影《復仇者聯盟3：無限戰爭》。2019年，由其出演的電影《復仇者聯盟4：終局之戰》上映 ?；同年，與本·普拉特主演電視劇《政客第一季》。2020年，由其出演的電視劇《政客第二季》播出。
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