Nata a Bolzano, dopo aver vinto i concorsi As.Li.Co di Milano e Francesco Viñas di Barcellona (premio speciale come migliore interprete mozartiana), ha iniziato giovanissima una carriera che l’ha portata in breve a cantare nei principali teatri e festival italiani ed esteri: Tra questi: Teatro alla Scala, Maggio Musicale Fiorentino, Opera di Roma, Teatro Regio di Torino, Opera di Zurigo, Théâtre des Champs Elysées a Parigi, Tokyo, Accademia Nazionale di Santa Cecilia, Concertgebouw Amsterdam, Salzburger Festspiele, Rossini Opera Festival, Festival Mozart La Coruna, Festival Radio France Montpellier, Accademia Chigiana di Siena. Ha collaborando con direttori d’orchestra quali Umberto Benedetti Michelangeli, Semyon Bychkov, Daniele Gatti , Gianandrea Gavazzeni, Fabio Luisi, Lorin Maazel, Zubin Mehta, Ennio Morricone, Riccardo Muti, Wolfgang Sawallisch.
È considerata una delle interpreti e docenti di riferimento per il repertorio barocco, che ha approfondito attraverso la collaborazione con i maggiori specialisti, fra cui Rinaldo Alessandrini (Concerto Italiano ), Giovanni Antonini (Giardino Armonico), Fabio Biondi (Europa Galante), Ottavio Dantone (Accademia Bizantina), Alan Curtis (Il Complesso Barocco), René Jacobs, Freiburger Barockorchester, Akademie für Alte Musik Berlin.
Il suo vasto repertorio concertistico comprende la musica sacra di Mozart, Telemann, Bach, Händel, Pergolesi e Vivaldi, oltre a Mendelssohn, Beethoven, Mahler. Intensa la sua attività cameristica, tra cui spicca la trentennale collaborazione con il pianista Antonio Ballista.
È il repertorio barocco ad occupare il posto principale anche nella sua vastissima discografia, con riconoscimenti della critica quali Gramophone Award, Choc du Monde de la Musique, Timbre de Platine d’Opéra International, soprattutto per le numerose partecipazioni alla Vivaldi Edition di Naïve.
Viene regolarmente invitata a tenere seminari e corsi, in modo particolare sulla vocalità barocca, in numerosi Conservatori italiani e presso il Mozarteum di Salisburgo. È stata inoltre docente alla Hochschule für Kunst und Musik di Brema dal 2011 al 2018.
Insegna attualmente presso il dipartimento di musica antica del Conservatorio di Milano e presso l’International Music Academy di Kusatzu (Giappone).
È tra i fondatori dell’Accademia Vivaldi presso l’Istituto Vivaldi della Fondazione Cini, Isola di San Giorgio Maggiore-Venezia , dove dal 2017 tiene seminari sul repertorio vocale vivaldiano. Dal 2003 è ambasciatrice UNICEF. Gemma Bertagnolli è particolarmente impegnata per sostenere il diritto alla musica e per promuoverne la sua funzione sociale.