Artemisia Gentileschi nació el 8 de julio de 1593 en Roma, hija de Prudentia Montone (fallecida cuando Artemisia tenía 12 años) y de Orazio Gentileschi, un conocido pintor. Gentileschi, la mayor de varios hermanos, mostró rápidamente aptitudes para el arte y comenzó a aprender de su padre. Orazio era amigo de Caravaggio, el provocador pintor a la vanguardia de la escena artística de Roma. Juntos, Orazio y Caravaggio fueron acusados en una ocasión de escribir pintadas difamatorias en las calles de Roma sobre otro pintor. Durante el juicio, Orazio contó una anécdota sobre la visita de Caravaggio a su casa para pedirle prestadas unas alas de ángel, indicando que el gran artista era íntimo de la familia Gentileschi y sugiriendo que la hija mayor, Artemisia, le habría conocido. Sea como fuere, cuando Artemisia tenía 13 años, Caravaggio se vio implicado en un asesinato y obligado a huir de Roma a Nápoles. A pesar de ello, la influencia de Caravaggio puede apreciarse tanto en la obra de Orazio como en la de Artemisia.
En 1611, Orazio fue contratado para decorar el palacio Pallavicini-Rospigliosi de Roma, junto a otro pintor, Agostino Tassi. Con la esperanza de ayudar a Artemisia, de 17 años, a perfeccionar su técnica pictórica, Orazio contrató a Tassi como tutor. En una de las sesiones de tutoría, Tassi la violó. Ella misma describiría después los hechos: "Luego me tiró al borde de la cama, me empujó con una mano en el pecho y me puso una rodilla entre los muslos para impedir que los cerrara. Levantándome la ropa, me puso una mano con un pañuelo en la boca para impedirme gritar".
Tras la violación, Artemisia inició una relación con Tassi, creyendo que iban a casarse, pero éste, más tarde, se negó a desposarla. Orazio tomó la insólita decisión de presentar cargos contra él por violación y el posterior juicio se prolongó durante siete meses. Artemisia era virgen antes de que Tassi la violara. El juicio reveló otros detalles escandalosos, incluidas acusaciones de que Tassi había asesinado a su esposa. Como parte del proceso, Artemisia tuvo que someterse a un examen ginecológico (para probar su afirmación de que había sido virgen). Su apasionado testimonio, en el que afirma que podría haber matado a Tassi tras la violación, da una idea de su carácter y su determinación.
Tassi fue declarado culpable y castigado con el destierro de Roma. Sin embargo, esta sentencia nunca llegó a ejecutarse, ya que Tassi recibió la protección del Papa debido a su habilidad artística. Muchos de los cuadros posteriores de Artemisia Gentileschi muestran escenas de mujeres atacadas por hombres o en posiciones de poder en busca de venganza.
Un mes después del juicio, Orazio hizo los arreglos necesarios para que Artemisia se casara con el artista Pierantonio Stiattesi. La pareja se trasladó a Florencia, ciudad natal de Stiattesi. Artemisia recibió allí uno de sus primeros encargos importantes: un fresco para la Casa Buonarotti, el hogar de Miguel Ángel, que su sobrino nieto estaba convirtiendo en monumento y museo del pintor.
Mientras vivía en Florencia, Artemisia se convirtió en la primera mujer aceptada en la prestigiosa Accademia delle Arti del Disegno (Academia de Artes y Dibujo). Esto le permitió adquirir sus materiales artísticos sin el permiso de su marido y firmar sus propios contratos. También obtuvo el apoyo del Gran Duque de Toscana, Cosme II de Médicis, de quien recibió varios encargos lucrativos.
Los problemas financieros, junto con los rumores generalizados sobre el romance de Artemisia, desencadenaron el desacuerdo entre la pareja y, en 1621, Artemisia regresó a Roma sin su marido. Aquí, siguió influenciada por las innovaciones de Caravaggio y trabajó con varios de sus seguidores, entre ellos el pintor Simon Vouet. En Roma no tuvo tanto éxito como esperaba y hacia el final de la década pasó algún tiempo en Venecia, presumiblemente en busca de nuevos encargos.
Continuando con su estilo de vida itinerante sin su marido (pero con su hija), Gentileschi se trasladó a Nápoles en 1630, donde trabajó con varios artistas de renombre, como Massimo Stanzione. En 1638, Artemisia fue invitada a la corte de Carlos I de Inglaterra en Londres, donde su padre era el pintor de la corte desde 1626. Orazio se había hecho un nombre como único pintor italiano en Londres y uno de los primeros artistas en introducir el estilo de Caravaggio en Inglaterra. A pesar de que llevaban más de diecisiete años sin verse, apenas hay constancia del reencuentro de Orazio y Artemisia. Durante su estancia en Londres, Artemisia pintó algunas de sus obras más famosas, como su Autorretrato como alegoría de la pintura (1638). También se ha sugerido que trabajó junto a su padre en un fresco alegórico para la residencia de Greenwich de la esposa de Carlos I, la reina Enriqueta María. Orazio murió en 1639 a la edad de 75 años, por lo que es posible que la ayuda de Artemisia fuera necesaria para la realización de este importante proyecto, sobre todo teniendo en cuenta que Orazio sería un hombre de edad avanzada.
Artemisia parece haber permanecido en Londres durante un par de años tras la muerte de su padre, aunque ya había abandonado definitivamente Inglaterra cuando estalló la Guerra Civil en 1642. Poco se sabe de sus movimientos posteriores, aunque la correspondencia con su mecenas, Don Antonio Ruffo, sugiere que regresó a Nápoles. La última carta que se conserva entre ambos está fechada en 1650 e implica que en ese momento seguía trabajando activamente. La fecha de su muerte es incierta; hay indicios de que seguía trabajando en Nápoles en 1654, y se ha especulado con la posibilidad de que muriera a causa de la peste que asoló la ciudad en 1656.
