Sie war die Tochter des Malers Gentileschi und von Prudentia Montone die schon 1605 verstarb. Artemisia stand oft Modell für Vater der auch ihr Talent erkannte und in der Malerei unterrichtete. Zur Erlernung der schickte er sie zu seinem Freund Agostino Dabei kam es aber zur Vergewaltigung von durch Tassi. Tassi versprach zwar zur Wiederherstellung Ehre sie zu heiraten löste dieses Versprechen nicht ein da er schon verheiratet war. strengte Orazio einen Prozess gegen Tassi an dessen Verlauf es zu einer entwürdigenden gynäkologischen kam um zu beweisen dass sie nicht Prostituierte tätig war (Tassi wollte sich mit Beschuldigung aus der Affäre ziehen er wurde auch wegen Diebstahls von Bildern zu acht Haft verurteilt). Dieser Vorfall schlug sich in Werken nieder.
Da sie wegen dieses Prozesses nicht Rom bleiben konnte zog sie nachdem sie ihrem Vater mit Pietro Vincenzo Stattiesi verheiratet nach Florenz . Orazio Gentileschi versuchte so ihre Ehre Dort wurde auch ihre Tochter Palmira geboren. setzte ihre Ausbildung an der dortigen Accademia del Disegno fort. 1615 erhielt sie ihren ersten größeren Auftrag Michelangelo Buonarotti dem Jüngeren (eines Großneffen von Michelangelo ). Artemisia freundete sich auch mit Galileo Galilei an. Sie wurde bald sehr bekannt fertigte etliche Werke für die Medici an wobei sie besonders vom Großherzog Toskana Cosimo II. gefördert wurde. Dabei entwickelte auch ihren eigenen persönlichen Stil der nicht an ihren Vater erinnerte.
1623 war sie schon so berühmt dass nach Rom zurückkehren konnte wo sie mehrere hatte unter anderem Kardinal Francesco Barberini den Neffen von Papst Urban VIII. und der Commandatore Cassiano dal Pozzo . Später ging Artemisia nach Neapel das damals eine der wichtigsten Städte Europas und dreimal so groß wie Rom Es gefiel ihr aber nicht sehr hier fand hier aber viele Aufträge.
1635 erhielt sie eine Einladung nach London an den Hof von König Karl I. wo ihr Vater inzwischen tätig war. folgte dieser Einladung aber erst 1637 und unterstützte den schon kranken Orazio Ausmalen des Queen's House in Greenwich . Orazio starb bald danach.
Sie kehrte danach wieder nach Neapel und wurde besonders vom Mäzen Don Antonio Ruffo gefördert. Zu diesem ändert sich auch der Stil ihrer Malerei. 1650 verliert sich ihre Spur so dass genaues Todesdatum nicht bekannt ist.
Artemisia Gentileschis Werk war zu Beginn vom Stil Caravaggios beeinflusst. Dieser Stil kam aber später der Mode und so änderte auch Artemisia Malweise. Typisch für sie ist aber der gemalte Faltenwurf von Kleidern. Die Vergewaltigung hatte starken Einfluss auf Malerei. So stellte sie oft gepeinigte Frauen wobei des Öfteren auch ihre Rache dargestellt Besonders viele Bilder befassen sich mit der von Judith und Holofernes .
Obwohl sie zu Lebzeiten sehr berühmt geriet sie nach ihrem Tod in Vergessenheit. in den sechziger Jahren des 20. Jahrhundert man wieder auf sie aufmerksam.