Tale sua educazione manicristica e fiorentina il G. mise a profitto, venendo in età di 17 anni a Roma, dove lavorò a fresco in S. Giovanni Laterano, in S. Maria Maggiore, e nella Biblioteca di Sisto V in Vaticano. A Roma formò poi un proprio stile, originalmente interpretando opere del periodo giovanile del Caravaggio, senza violenti contrasti di luce e ombra, anzi esaltando la quantità preziosa del colore, tramite l'effetto luministico di panni serici, di stoffe translucide in una visione nitida e disegnata di ascendenza toscana. Nel contempo si giovava concretamente dei contatti con altri caravaggeschi, come il Saraceni e Adamo Elshcimer, ma collaborò anche con Agostino Tassi. Dopo il 1615 il G. operò nelle Marche, giungendo ad effetti di movimento e di complessità compositiva, talora macchinesa (la Madonna del Rosario, Fabriano, S. Domenico), talora schietta e semplice (la Vergine e s. Chiara, Fabriano, casa Rosei). Nel 1621 il G. era a Genova, ovvero a conobbe il Van Dyck. Passò poi in Francia (Riposo in Egitto, al Louvre) al servizio di Maria de' Medici; e infine (1626) in Inghilterra presso Carlo I (Riposo in Egitto, Hampton Court; Loth e figlie, Bilbao, Museo; Ritrovamento di Mosè, Howard Castle). Nell'epoca inglese la varietà cromatica diminuisce, ma il singolare naturalismo del G. si fa più complesso, confluendo nelle sue opere accenti di un patetismo contenuto ma concreto. Il G. ebbe due figli pittori: FRANCESCO e ARTEMISIA. Quest'ultima, n. a Roma nel 1597, m. a Napoli dopo il 1651, fu eccellente pittrice. Allieva del padre e di Agostino Tassi, sposò poi un Pierantonio Schiattesi. Effetti di robustezza plastica, di intensità emotiva e naturalistica, distinguono le opere di Artemisia G. dai dipinti paterni. Vicinissimo ad Orazio è il dipinto: Due donne allo specchio (Berlino, Museo); ma di Artemisia G. vanno ricordati i seguenti dipinti: Giuditta con la testa d'Olofrene (Firenze, Galleria Pitti); la Maddalena contrita (ivi); Giuditta uccide Olofrene (Firenze, Uffizi).
Artemisia influì sulla scuola napoletana, segnatamente sullo Stanzionì.