Après ses études universitaires, Gena Rowlands entre à l'American Academy of Dramatic Arts.
Gena Rowlands fait ses débuts au cinéma en 1958 dans une comédie produite par la Metro-Goldwyn-Mayer, The high cost of loving de José Ferrer. Elle enchaîne ensuite au côté de Kirk Douglas dans Seuls sont les indomptés (1962) de David Miller. Dès lors, elle est cataloguée parmi les actrices blondes bon chic, bon genre. Elle tourne ensuite dans de nombreuses séries télévisées comme Bonanza ou Le Virginien. Sa carrière prend une nouvelle orientation lorsqu'elle commence à travailler pour John Cassavetes, son mari. De Un enfant attend (1963) à Ainsi va l'amour (1971), cette collaboration permet à Gena Rowlands de révéler son excellence dramatique. Puis Une femme sous influence (1974) est la grande révélation de ce couple auprès du public et de la critique. Les prestations de l'actrice dans des personnages de femmes écorchées, dépressives, au bord de la rupture, sont éblouissantes. Opening night (1978) de Cassavetes est un magnifique hommage au théâtre et à l'amour de jouer. A l'écran, Gena Rowlands sait tout faire : la bourgeoise (Ainsi va l'amour), l'actrice alcoolique (Opening night), l'épouse maltraitée et déchirée (Love streams, 1984, de Cassavetes). En 1998, elle compose un très beau portrait de femme sous la direction de Woody Allen dans Une autre femme. Après le décès de John Cassavetes en 1989, elle poursuit sa carrière dans d'autres types de rôles, moins violents, moins exposés. Elle fait une apparition remarquée dans Night on earth (1991) de Jim Jarmusch et tourne dans le premier long métrage de son fils Nick Cassavetes, She's so lovely (1996).
Dans les années 1950, Gena Rowlands joue de nombreuses pièces de théâtre. Elle tourne dans plusieurs téléfilms et séries américaines.