Джемма Фирсова родилась в семье военного инженера. В годы Великой Отечественной войны вместе с родителями она находилась на фронте, школьные годы провела в Калининграде. В 1955 году Фирсова постипила на режиссерский факультет ВГИКа (курс А.П. Довженко, позднее занималась в мастерских М.И. Рома и С.А. Герасимова). В институте она познакомилась со своим будущим мужем киноператором В.В. Микошей, с которым позднее осуществила несколько совместных проектов. В молодости Джемма Фирсова была блестящей красавицей и в1957 году дебютировала в кино в фильме «Хождение по мукам». В 1950-1970-х годах она снялась в полутора десятках фильмов, но в основном в ролях второго плана. Наиболее известны фильмы с ее участием «Алые паруса» (1961), «Война и мир» (1965), «Белая птица с черной отметиной» (1970), «Это сладкое слово свобода» (1972).
Из-за занятости в съемках Фирсова окончила ВГИК только в 1966 году и затем начала в документальном кино, сразу же ярко проявив свое незаурядное режиссерское дарование; фильмы «Поезд в Революцию» (1969, главный приз Лейпцигского кинофестиваля), «Зима и весна сорок пятого» (1972, Государственная премия СССР), «Память навсегда» (1975), «Битва за Кавказ» в сериале «Великая Отечественная» (1979, совместно с Р. Л. Карменом, Ленинская премия), «Предупреждение об опасности» (1984), «Покушение на будущее» (1985). В конце 1970-х — начале 1980-х годов Дж.С. Фирсова работала в Госкино СССР, курировала выпуск военно-патриотических фильмов.
После после аварии на Чернобыльской АЭС (1986) она ушла из кино, участвовала в создании организации «Союз Чернобыль», занималась изучением причин аварии, выступала в печати на темы экологии и искусства, опубликовала несколько публицистических книг и поэтических сборников. В конце 1980-х — начале 1990-х годов Фирсова выступала как эксперт программ сохранения и развития российских музеев. В 2000-х годах она вернулась в кино, сняла несколько документальных фильмов. Дж.С. Фирсова была похоронена на Химкинском кладбище в Москве.