Après des études à la Sorbonne, Gilberte Brossolette débute sa carrière professionnelle dans le journalisme. Placée dans l'impossibilité d'exercer son métier sous le régime de Vichy, elle ouvre avec son mari, Pierre Brossolette, une librairie-papeterie rue de la Pompe, à Paris.
Après l'établissement d'un contact avec Londres, grâce au réseau « Confrérie Notre Dame de Castille » mis sur pied par le colonel Rémy, le commerce des époux Brossolette devient un rendez-vous fréquenté par la Résistance. Il sert notamment de boîte à lettres pour l'envoi de renseignements en Angleterre.
En 1942, son fils est arrêté par les Allemands et soumis à un interrogatoire. A la suite d'une deuxième perquisition effectuée quelques semaines plus tard, Gilberte Brossolette décide de quitter Paris et de rejoindre son mari outre-Manche. Elle travaille alors pour la BBC et le Commissariat à l'Intérieur de la France libre.
Lors de son retour à Paris, en 1944, elle est chargée de la direction des émissions féminines à la Radiodiffusion française. Elle siège également à l'Assemblée consultative provisoire avant d'être élue député de la Seine à la seconde Assemblée nationale constituante sous l'étiquette SFIO.
Gilberte Brossolette fait partie des 21 femmes élues au tout nouveau Conseil de la République en 1946. Avec 213 voix sur 231, elle accède à la vice-présidence de la Chambre Haute, fonction qu'elle occupe jusqu'en 1954. A ce titre, elle est la première femme à diriger les débats de la Haute Assemblée.
En 1958, elle quitte le Sénat pour exercer son métier de journaliste à la radio, où elle tient une chronique de politique étrangère.
Chevalier de la Légion d'honneur et titulaire de la rosette de la Résistance, Gilberte Brossolette décède le 18 février 2004, à l'âge de 98 ans. Elle déclarait au Monde en 2001 : « C'est pendant l'Occupation que les mentalités ont changé, et c'est dans la Résistance que les femmes ont gagné le droit de voter et d'être élues ».