Née à Marseille, Géraldine Pailhas est la fille d'un menuisier devenu galeriste de renom[3].
Enfant, elle suit des cours de danse classique. À 15 ans, elle occupe seule un studio à Toulouse. L'année d'après, en 1987, 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 pour des raisons physiques[réf. nécessaire].
Elle se tourne vers le cinéma à la fin des années 1980[4].
L'actrice enchaîne quelques seconds rôles avant d'être placée en tête d'affiche pour la comédie indépendante La Folie douce, écrite et réalisée par Frédéric Jardin, sortie en 1994.
L'année 1997 est marquée par le plus gros succès commercial de sa carrière, avec 1,5 million d'entrées, Les Randonneurs, « comédie nerveuse »[6], portée par des « acteurs montants »[6], contraints de « suer avec 10 kg sur les épaules »[6], dans les montagnes du GR Corse, le plus sportif des sentiers de grande randonnée français. L'actrice y donne la réplique au réalisateur Philippe Harel, à Karin Viard, Vincent Elbaz et surtout à Benoît Poelvoorde, révélation du film, qui incarne un homme marié et menteur, qu'elle quitte après s'être signalée à son épouse.
Par la suite, l'actrice entame une collaboration avec François Ozon et Thierry Klifa : avec le premier, elle tourne le drame 5×2 (2004) et Jeune et Jolie (2013). Pour le second, elle joue dans Le Héros de la famille (2006) et Les Yeux de sa mère (2011), deux films co-écrits par son compagnon Christopher Thompson. Par ailleurs, c'est avec lui qu'elle partage l'affiche de la comédie dramatique indépendante Didine (2008). Elle joue aussi dans le premier film de ce dernier comme réalisateur, la comédie dramatique Bus Palladium (2010).
En 2011, c'est en famille qu'elle effectue 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[7].
Parallèlement, elle accepte des projets pour la télévision : en 2011, elle tient le premier rôle du téléfilm Une nouvelle vie puis en 2012 partage l'affiche du thriller La Disparition avec Thierry Godard.
Mais surtout, à partir de 2016, elle fait partie du casting principal de la série Marseille, développée par Florent Emilio-Siri. Les critiques de la première saison sont catastrophiques[8]. La saison 2, diffusée en 2018, est à peine mieux accueillie[9].