Ayant acquis de l'expérience en tant que présentatrice et journaliste pour plusieurs réseaux locaux affiliés, elle rejoint CBS News, en tant que correspondante en 2000 puis devient co-animatrice de l'édition du samedi de The Early Show. En 2005, elle rejoint Fox News Channel et devient l'animatrice de l'émission matinale Fox & Friends, avec Steve Doocy(en) et Brian Kilmeade(en). En 2013, elle annonce son départ de Fox & Friends et lance peu après un nouveau programme intitulé The Real Story(en). Son contrat avec Fox News expire le .
Le , elle intente des poursuites contre Roger Ailes, alors président et chef de la direction de Fox News, pour harcèlement sexuel[3]. Grâce aux enregistrements faits par Carlson de leurs réunions privées durant un an et demi, celui-ci est forcé de démissionner sous la pression. En , Gretchen Carlson et la 21st Century Foxs'accordent(en) sur les poursuites, pour un montant de 20 millions de dollars[4].
Dans le film Scandale, sorti en et relatant le harcèlement dont elle fut victime et les poursuites contre Roger Ailes, son rôle est joué par Nicole Kidman.
Dans la mini-série The Loudest Voice, sortie en 2019 et relatant l'histoire de la chaîne Fox News, son rôle est joué par Naomi Watts.