Gemma Chan lahir pada 29 November 1982 di Guy's Hospital, London. Ayahnya berasal dari Hong Kong dan berprofesi sebagai insinyur, sementara ibunya bekerja sebagai apoteker dan emigrasi dari Tiongkok sebelum Revolusi Kebudayaan. Ia dibesarkan di sekitar Sevenoaks, Kent, dan menempuh pendidikan di sekolah perempuan Newstead Wood. Setelah lulus dari Worcester College, Oxford dengan jurusan hukum, Gemma memilih berkarier di dunia seni peran dan belajar di Drama Centre London, meninggalkan rencana menjadi pengacara.

Memulai karier sebagai model untuk mendanai studi dan pelatihan drama, Gemma muncul sebagai model dalam series Project Catwalk dan difoto oleh Rankin untuk kampanye Nivea Visage. Ia kemudian debut di dunia akting melalui peran kecil di berbagai serial televisi Inggris, termasuk Secret Diary of a Call Girl dan Sherlock. Ia dikenal luas lewat peran di serial Humans sebagai karakter sintetik Anita/Mia yang meraih nominasi penghargaan.

Selain berakting di layar kaca dan film seperti Shanghai dan Submarine, Gemma juga tampil di panggung teater, termasuk debut profesional di British Premiere Turandot dan pertunjukan di berbagai teater London. Ia meraih penghargaan dan pengakuan internasional, serta menjadi duta dan aktivis untuk hak asasi manusia, termasuk bekerja sama dengan Amnesty International.