Née à Marseille, elle est la fille d'un menuisier devenu galeriste de renom.
Enfant, elle suit des cours de danse classique. À 15 ans, elle occupe seule un studio à Toulouse. L'année d'après, en 1986, elle apparaît dans un clip des Gipsy Kings et dans un autre de Saint-Preux. À la même époque, elle est contrainte d'arrêter la danse car son corps ne suit plus.
Elle s'est tournée vers le cinéma au début des années 1990.
Géraldine y fait ses premiers pas en faisant de la figuration dans Trois places pour le 26 de Jacques Demy. Deux ans plus tard, sa carrière prend une autre dimension avec Les Arcandiers et surtout La Neige et le Feu de Claude Pinoteau en 1991, rôle pour lequel elle est récompensée d'un César du meilleur espoir féminin en 1992.
En 2011, elle fait ses premiers pas au théâtre dans L'amour, la mort, les fringues, adaptation d'une pièce américaine, mise en scène par sa belle-mère Danièle Thompson. De cette expérience, elle déclare dans l'émission On n'est pas couché qu'elle l'a trouvée difficile et ne l'a pas très bien vécue, ne pouvant entre autres reprendre une scène ratée, et qu'elle préfère se consacrer au cinéma.
Géraldine Pailhas partage sa vie avec le scénariste et réalisateur Christopher Thompson, avec lequel elle a eu deux enfants.