ברונדטלנד נולדה באוסלו בשנת 1939. היא הוכשרה כרופאה בתחילה. היא התחתנה ב-9 בדצמבר1960 ונולדו לה ארבעה ילדים. בשנת 1963 סיימה לימודי תואר ראשון באוניברסיטת אוסלו ובשנת 1965 סיימה תואר שני באוניברסיטת הרווארד. לאחר לימודיה, עבדה ברונדטלנד בשירות הבריאות של אוסלו. תפקידה הפוליטי הראשון היה בתור שרת הסביבה בשנים 1974–1979. בפברואר 1981 נבחרה להיות ראשת הממשלה הראשונה בנורווגיה, אך היא עזבה את התפקיד באוקטובר של אותה השנה. ממשלתה השנייה של ברונדטלנד (אשר פעלה בשנים 1986-1989) ידועה בשל שיעור הנשים הגבוה שלה- כמעט מחצית (8 שרות מתוך 18 חברי ממשלה). במהלך כהונתה השלישית כראשת ממשלה, לקחה ממשלת נורווגיה חלק מרכזי בשיחות ובפיתוח הסכמי אוסלו, אם כי לאורך התהליך ארצות הברית הלכה והפכה לדומיננטית יותר בגישור.
במאי 1998 ברונדטלנד מונתה למנהלת ארגון הבריאות העולמי. במהלך כהונתה, ברונדטלנד עסקה רבות במלחמה כנגד תופעת העישון. היא החזיקה בתפקיד זה עד שנת 2003.
ב-22 ביולי2011 ברונדטלנד כמעט נרצחה במתקפת הטרור בנורווגיה שבוצעה על ידי אנדרס ברינג בריוויק. היא שהתה באי שבו בוצע הטבח כשעתיים לפני הגעתו של ברייוויק. בחקירתו, הודה ברייויק כי ברונדטלנד הייתה אחד מיעדיו העיקריים. הוא תכנן באופן מפורט לחטוף אותה ולרצוח אותה בשידור חי באינטרנט.