Gigliola nasceu em uma família abastada de Verona. Formou-se no Liceu Artístico de Verona e começou a cantar ainda jovem.
Estreou aos 15 anos, em 1963, vencendo o Festival de Castrocaro com a canção "Le strade di notte", de Giorgio Gaber.
No ano seguinte, venceu o Festival de Sanremo de 1964 com a canção Non ho l'età (per amarti), de Nicola Salerno e
letra de Mário Panzeri. Dois meses depois, venceu, com a mesma canção, o Festival Eurovisão da Canção, em Copenhague. Das doze edições de Sanremo das quais participou, Gigliola arrematou duas. A segunda foi, em 1966, interpretando "Dio, come ti amo!", de Domenico Modugno, cujo sucesso levou à produção do filme homônimo, protagonizado pela própria Gigliola.
Em 1973, ganhou o concurso do programa Canzonissima com a canção "Alle porte del sole" — que, reeditada dois anos depois pelo cantor ítalo-americano Al Martino, chegou à 17ª posição no Billboard.
Em 1974, obteve o segundo lugar no Festival Eurovisão para a canção "Sì" (perdendo para "Waterloo", do grupo sueco ABBA). A versão inglesa dessa canção chegou ao 7º lugar de vendas na Inglaterra. Essa música levou a RAI a adiar a transmissão da Eurovisão para depois de 12 de maio de 1974, dia do referendo que decidiria revogar (ou não) a Lei do Divórcio. Acreditava-se que a letra — que repetia várias vezes o refrão Sì, sì, sì ("sim") — poderia influenciar o voto dos italianos na opção "sim".
Depois disso, Gigliola se casou com o jornalista Luciano Teodori, ficando vários anos afastada da mídia para se dedicar à família. Voltou em 1981, dessa vez como jornalista, no programa Linea verde, de Frederick Fazzuoli, além de escrever uma coluna semanal para um jornal. Em 1982, apresentou, com Enzo Tortora, o programa Portobello, cantando e dançando o twist. Passou a colaborar com diversos jornais. Em 1996, apresentou um programa de verão em cinco episódios, intitulado Donne – Viaggio nella storia delle donne italiane, veiculado pela RAI International. Em 1991, conduziu um talk show na televisão de Montecarlo. No mesmo ano apresentou a edição do "Euro Festival".
Além da música, Gigliola sempre gostou de pintura e arte. Algumas capas de seus álbuns, como La Bohème e Mystery, foram elaboradas por ela. Em 1973, ilustrou o livro infantil O pescatelle, de Umbertino di Caprio; Em 1976, foi a vez de Inchistrino, do mesmo autor.
A última participação de Gigliola Festival de Sanremo foi em 1995. Três anos antes, lançou seu último álbum de estúdio — La Poèsie d'une Femme —, que a levou a apresentar-se na televisão francesa.
Desde os anos 1990, trabalha na televisão pública italiana RAI. Em 2008, recebeu o Premio Giulietta alla Donna, em homenagem a sua carreira.
