Attrice di talento, tanto sul palcoscenico che davanti alla cinepresa, Gretchen Mol ha da poco concluso le riprese di The Headhunter's calling, con Gerard Butler, Willem Dafoe, Alfred Molina e Alison Brie. Il film racconta la storia di uno spietato cacciatore di teste che si trova sul punto di conquistare il vertice della società per cui lavora fino a quando il figlio di 10 anni non si ammala ribaltando tutte le sue priorità professionali e personali.
Recentemente Mol è apparsa nel film pluricandidato ai premi Oscar di Kenneth Lonergan Manchester by the Sea, e in Anesthesia, con Kristen Stewart, Glenn Close e Corey Stoll. Il film è stato scritto, prodotto e diretto da Tim Blake Nelson. Anesthesia racconta le vite di alcune persone influenzate dal Professor Walter Zarrow (Sam Waterston), dopo che un'aggressione lo ha violentemente colpito. Inoltre Mol è apparsa in True Story, con James Franco e Jonah Hill. Il film racconta il rapporto instaurato fra il giornalista Michael Finkel e Christian Longo, un assassino ricercato dal FBI che ha lasciato gli Stati Uniti usando il nome dello stesso Finkel. Il film è stato presentato in anteprima al Sundance Film Festival nel gennaio 2015 e poi distribuito in sala nell'aprile 2015. L'anno precedente, Mol ha lavorato sulla serie della HBO prodotta da Martin Scorsese, Boardwalk Empire, con Steve Buscemi. La quinta e ultima stagione è stata trasmessa nell'ottobre 2014. Gretchen e i suoi compagni di lavoro sono stati premiati nel 2011 e nel 2012 con lo Screen Actors Guild Award® per la MIglior Performance di un cast in una serie drammatica. Sono poi stati nominati nella stessa categoria nel 2013, 2014 e 2015. Inoltre, la serie ha vinto il Golden Globe Award® come Miglior Serie Televisiva Drammatica nel 2011 per poi essere nuovamente rinominata nel 2012 e 2013.
Gretchen ha fatto il proprio debutto cinematografico nel film di Spike Lee Girl 6 - Sesso in linea nel ruolo di Girl 12. Fra gli altri film a cui ha partecipato: Dimmi quando - Laggis, Quel treno per Yuma, in un ruolo per cui ha ricevuto una nomination al SAG Award® per Miglior Cast, La scandalosa vita di Bettier Page - The Notorius Bettie Page, Il giocatore - Rounders, The Shape of Things, Musica da un'altra stanza, Fratelli - The Funeral di Abel Ferrara, L'ultima volta che mi sono suicidato, Il tredicesimo piano, Celebrity, Le due verità, The Ten - I dieci comandamenti come non li avete mai visti, Trainwreck: My life as an idiot, Puccini for Beginners, Just Looking e An American Affair. Fra i lavori televisivi di Mol si può ricordare il prodotto Lifetime nominato per l'Emmy® La Figlia del Silenzio - The Memory Keeper's Daughter, basato sull'omonimo romanzo campione di vendite, Picnic, The Magnificent Ambersons, Calm at Sunset, Calm at Dawn, The Valley of Light e Dead Man's Walk. Fra le sue apparizioni va ricordata anche la partecipazione al primo episodio della serie di grande successo della ABC Spin City, e un altro ruolo da comprimaria nella serie di David E. Kelley per la ABC Life on Mars. Inoltre ha lavorato a Broadway nel ruolo di Roxie Hart in Chicago, e nella versione riadattata di "The Shape of Things".
Mol vive attualmente con la propria famiglia a New York.