Gizem Karaca, 7 Eylül 1992 tarihinde İstanbul'da doğmuştur. Annesi Münevver Karaca, babası Cüneyt Karaca'dır. Aslen anne tarafından Arnavut, baba tarafından Selanik göçmenidir. Küçükken ailesi Amerika'ya taşındığı için çocukluğu ABD ve Kanada'da geçti. İlkokulu ABD'de, ortaokulu Kanada'da bitiren Karaca lise yıllarında Türkiye'ye döndü. Lise bittikten sonra İstanbul Üniversitesi Fransız Dili ve Edebiyatı Bölümünü kazandı. İngilizce ve Fransızca biliyor.

Karaca 16 Eylül 2017 tarihinde işletmeci Kemal Ekmekçi ile evlendi.

İstanbul Üniversitesi Fransız Dili ve Edebiyatı Bölümü'nü kazandıktan sonra zor geçen derslerden kaçmak için güzellik yarışmasına katılmaya karar vermiş, Miss Turkey 2011 güzellik yarışmasına katılmış ve 2. olmuştur. Yarışma bittikten hemen sonra gelen dizi tekliflerini değerlendirmiş, 2012 yılında yayınlanan Eve Düşen Yıldırım adlı dizide başrol ile oyunculuk kariyerine başlamıştır. 2012-de Emir'in Yolu isimli ikinci dizisinde de baş rol Güneş Sancaktar'ı oynadı. 13. bölümün ardından dizi yayından kaldırıldığı için bir süre Amerika'ya gidip New York Film Akademisi'nde oyunculuk eğitimi alan Gizem Karaca yeni dizisi Benim Hala Umudum Var ile 2013 ün yazında ekranlara dönüş yapmıştır. Güzel oyuncu 2014 yılında Seni Seviyorum Adamım isimli ilk sinema filminde başrol oynadı. Film 21 Kasım'dan itibaren vizyona girdi. Karaca 2014 Haziran ayında Star TV'de yayınlanmaya başlayan Güzel Köylü adlı dizide Mehmet Ali Nuroğlu ve Berk Cankat ile beraber başrol oynadı. Ancak dizi, 17 Haziran 2015'te sona erdi. 2017 de İçimdeki Fırtına dizisinde rol almaya başlamıştır. Aynı zamanda 2017 de Kara Sevda dizisine komiser Mercan rolü ile katıldı ve birkaç bölüm sonra ayrıldı.