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Gillian Leigh Anderson est née à Chicago, dans l'Illinois le 9 Août 1968. Peu de temps aprés sa naissance, sa famille ira vivre à Porto Rico pendant 15 mois, puis en Angleterre. Gillian vivra ses 9 premières années dans le nord de Londres.

Gillian a épousé Clyde Klotz le 1er janvier 1994. Leur fille, Piper Maru, est née le 25 septembre 1994. Le couple divorce 3 ans plus tard en 1997.

Le 29 décembre 2004, elle se marie avec Julian Ozanne (avec qui elle était depuis 2002) mais le couple se sépare le 24 avril 2006.

Depuis 2006, elle est en couple avec Mark Griffiths.

Le 1 novembre 2006, l'actrice donne naissance, bien avant terme, à un garçon prénommé Oscar.

Le 15 octobre 2008, elle donne naissance a son troisième enfant (le deuxième avec Mark), Felix.