Nacida en Barcelona, el 12 de abril de 1977, y diplomada en gemología, Gemma Mengual comenzó en la natación sincronizada a la edad de nueve años en el club Kallipolis de Barcelona, siguiendo los pasos que cada verano vio dar a su prima Judith, residente Suiza. Cuando tenía quinte años la Federación Catalana de Natación le dio la oportunidad de entrenarse en la residencia Blume y desde 1999 se prepara en el Centro de Alto Rendimiento de Sant Cugat (CAR). Disfruta de beca ADO desde 1998.

En 1992 su entrenadora Anna Tarrés la incorporó a su equipo y al año siguiente fue la nadadora de sincronizada que más veces fue convocada con el equipo nacional.

En mayo de 1994, miembro de la selección catalana, fue la más destacada de la reunión Atenas Sincro al acaparar el primer puesto en solo, dúos y equipos. Dos meses después, en Las Palmas, se proclamó campeona nacional en categoría C (15 a 17 años) en figuras, dúos y solo. A finales de julio de ese año se adjudicó la plata en solo en el Europeo juvenil de Moscú, clasificación nunca conseguida hasta entonces por una española.

En la edición de los Nacionales de 1995, disputados en julio en Portugalete, fue la gran triunfadora con tres oros (solo, dúos y equipos). Un mes después en los Europeos absolutos de Viena fue quinta en solo y por parejas, junto con su compañera del Kallipolis y la selección Irina Rodríguez. Ambas, fueron segundas en dúos en los Internacionales de Francia, en marzo de 1996. En el Campeonato de España de 1997, en Granollers, ganó en individual y equipos.

En agosto de 1997 fue quinta en el solo técnico y en libres individuales de los Europeos de Sevilla, donde tuvo que superar el handicap de la edad, ya que las grandes rivales eran cinco años mayor que ella. También fue cuarta en dúos, mejorando en un puesto la clasificación de Viena '95, y por equipos.

En los Mundiales de Perth, en enero de 1998, consiguió un meritorio décimo lugar en solo, la mejor clasificación de una española. Igual puesto consiguió en equipos y acabó en undécimo lugar en dúos. En mayo se proclamó ganadora en solo y dúos del Trofeo Internacional Ciutat de Barcelona del España Sincro. En mayo de 1999 revalidó su título nacional en individual y dúos, en las piscinas M-86 de Madrid.

En dos ocasiones acarició la medalla de bronce en los Europeos de Estambul, en julio de 1999, fue cuarta en dúos con la canaria Paola Tirados, su pareja desde entonces, y por equipos, mientras que en individual acabó quinta.

En marzo de 2000 fue segunda en dúos en el Torneo Internacional de Francia. Al mes siguiente consiguieron en Sydney la clasificación en dúos para la cita olímpica, aunque no por equipos. En su preparación para este evento fueron cuartas en el Abierto de Japón, ganaron el Torneo Infantas de España, en el que también Gemma se hizo con la victoria en individual.

En el Europeo de Helsinki, en el que inició su consolidación internacional, el 30 de junio de 2000 consiguió el bronce en individual, por detrás de la rusa Olga Brusnikina, que revalidó título, y la francesa Virginie Dedieu. Al día siguiente logró la plata en dúos, puesto al que avanzaron después de que una de las rusas vencedoras diera positivo y tras desbancar a las italianas, sus rivales más directas a batir desde hacía años.

En los Juegos de Sydney, el 26 de septiembre de 2000 la pareja española logró el séptimo lugar, aunque no estuvieron muy conformes con la puntuación.

En julio de 2001 mejoró su clasificación en los Mundiales de Fukuoka al finalizar en sexta posición en solo, repitiendo en los dos primeros lugares las triunfadoras del Europeo, y en dúos, mientras que por equipos fueron quintas, mejorando las anteriores participaciones españolas.

El Europeo de Berlín, en julio de 2002, tocó metal en las tres modalidades. Plata en dúos -por detrás de las rusas y desplazando a las francesas- y por equipos -a nueve décimas de las rusas-, y bronce en solo, aventajándola en ocho décimas la rusa Anastasia Davydova y lejos de la francesa Dedieu. En el mes de septiembre en la Copa del Mundo de Zúrich logró el sexto puesto en solo, fue sexta formando pareja con Andrea Fuentes y quinta en equipos.

En el Mundial de Barcelona, en julio de 2003, superó las expectativas iniciales de la seleccionadora Tarrés, que le daba opciones a dos medallas, y contribuyó sobremanera al triunfo español al anotarse el bronce en solo y en dúos, con su habitual compañera Tirados, y la plata en combo, modalidad que debutaba en la competición. Además, en equipos acabaron cuartas. Estas eran las primera medallas españolas mundialistas de la sincronizada absoluta.

Con el equipo nacional consiguió la plata en los Internacionales de Francia, prueba en la que fue cuarta en dúos. En los preolímpicos de Atenas, en abril de 2004, consiguió puesto para los Juegos de ese verano al quedar terceras en dúos y cuartas por equipos.

En los Europeos de Madrid, en mayo de 2004, se hizo con el bronce en solo, con Tirados ganó la plata en dúos, y sumó el oro en la combinada por equipos.

Muy crítica con las puntuaciones arbitrales en los Juegos de Atenas de agosto de 2004, fue cuarta en dúos con Tirados y por equipos, con una coreografía inspirada en Salvador Dalí.

En marzo de 2005 se proclamó campeona de España de dúos con Irina Rodríguez.

En los Mundiales de Montreal, en julio de 2005, al que las nadadoras asistieron con la intención de demostrar la injusticia de Atenas, sumó el bronce en la combinada por equipos, en competición general por equipos y en el solo, y logró la plata con Tirados.

Al año siguiente, en los Europeos de Budapest, en julio, fue plata en individual, en equipos, en combinada y dúos, siempre superadas por las rusas.

En la Copa del Mundo de Yokohama, en septiembre de 2006, fue plata en solo y dúo, con Andrea Fuentes y Tirados, como en el reciente Europeo, y tercera en la combinada. Al mes siguiente, en el I Trofeo Mundial de Moscú, logró la plata en dúos y por equipos.

En los Mundiales de Melbourne, en marzo de 2007, la natación sincronizada española totalizó volvió a ser "castigada" en la puntuación por equipos al relegarlo a la cuarta posición en el combo, aunque luego Mengual consiguió seis medallas: plata en sólo técnico, bronce en sólo libre, plata en dúo técnico y en dúo libre, con Tirados, plata en el ejercicio libre por equipos y bronce en el técnico por equipos.

En los Juegos de Pekín logró dos platas, en equipos y en dúo.

En los Mundiales de Roma, en 2009, consigue seis platas y un oro.

En diciembre de 2001 la Unión de Federaciones Deportivas de Cataluña (UFEC) la eligió mejor deportista de la Comunidad, puesto que compartió con Pau Gasol. Repitió este galardón en diciembre de 2004, que compartió con el piloto Dani Pedrosa.

Su popularidad tras el Mundial de Barcelona le llevó a debutar en septiembre de 2001 en la Pasarela Gaudí, donde lució los trajes de baño de Dolores Cortés. En noviembre de 2004 intervino en espectáculo con el que el grupo "El Tricicle" celebraba su 25 aniversario.

Está en posesión de la medalla de plata de la Real Orden del Mérito Deportivo (2003), de la Medalla Olímpica del COE (2004) y del Premio Nacional del Deporte Reina Sofía (2005).

Es una seguidora incondicional del equipo de fútbol del Espanyol, de cuya Fundación es patrono desde 2005.

En 2009, la nadadora se tomó un año sabático y un año después vivió la experiencia de ser madre.

En 2012, con 34 años, anuncia su retirada.

1994/ Plata en solos en el Europeo juvenil de Moscú.

2000/ En los Europeos de Helsinki fue plata en dúos y bronce en solos.

2000/ Séptima en dúos los Juegos de Sydney.

2001/ En el Mundial de Fukuoka fue sexta en solos y dúos y quinta por equipos.

2002/ Consiguió tres medallas en el Europeo de Berlín, plata en dúos y equipos y bronce en solos.

2003/ En el Mundial de Barcelona se hizo con bronce en solos y dúos y plata en combo.

2004/ En los Europeos de Madrid consigue bronce en sólo, plata en dúos y oro en la combinada por equipos.

2004/ En los Juegos de Atenas fue cuarta en dúos y por equipos.

2005/ En los Mundiales de Montreal consigue plata en dúos y bronce en sólo, por equipos y competición general.

2006/ En los Europeos de Budapest fue plata en individual, en equipos, en combinada y dúos.

2006/ En la Copa del Mundo de Yokohama ganó plata en solo y duo y bronce en la combinada.

2007/ Logra seis medallas en los Mundiales de Melbourne.

2008/ Plata en los JJOO de Pekín en dúo y en equipo.

2009/ Seis platas y un oro en los Mundiales de Roma.