Gretchen Mol, die aus einer Künstlerfamilie stammt, absolvierte ihre Ausbildung im William Esper Studio und an der American Musical and Dramatic Academy. Schon in dieser Zeit war sie in zahlreichen Werbespots zu sehen. Zu ihren Bühnenrollen zählen unter anderem "Bus Stop", "An Actor's Nightmare", "No Exit", "Godspell" und "110 in the Shade".
Ihr Filmdebüt gab Gretchen Mol in Spike Lees "Girl 6" (1996). Es folgten Abel Ferraras "Das Begräbnis" (1996), "Wie ich zum ersten Mal Selbstmord beging" (1996), "Liebe auf den ersten Schrei" (1997), "Donnie Brasco" (1997), "The 13th Floor" (1998), "Rounders" sowie Woody Allens "Celebrity" (1998) und "Sweet and Lowdown" (1999).
Fernsehrollen spielte sie in dem Quotenhit "Picnic", in "Lockruf des Meeres" (1996) und in "Dead Man's Walk - Weg der Verdammten" (1996). Gretchen Mol wirkte außerdem in der ersten Folge der überaus erfolgreichen ABC-Serie "Chaos City" und in "Sex on a Pole - HBOs Subway Stories" mit. 2000 war Mol in "Attraction" und "Get Carter - Die Wahrheit tut weh" zu sehen, der auf dem Festival in Toronto gezeigt wurde; zuvor in Jason Alexanders "Just Looking" (1999) und Paul Schraders "Forever Mine - Eine verhängnisvolle Liebe" (1999), der auf dem Telluride Film Festival lief. 2001 übernahm sie eine Rolle in "The Magnificent Ambersons" (2001) unter der Regie von Alfonso Arau.
Weitere Filme mit Gretchen Mol: "New Rose Hotel", "Das Maß der Dinge" (2002), "Heavy Put-Away" (2004), "The Notorious Bettie Page" (2005), "Puccini for Beginners" (2006), "Trainwreck: My Life as an Idiot", "The Ten", "The Valley of Light", "Todeszug nach Yuma" (alle 2007).