Gesa Hartwigsen studierte an der Universität Kiel Psychologie und promovierte zur Rolle der rechten Hemisphäre in der Sprachverarbeitung. Im Anschluss forschte sie in der Neurologie am Universitätsklinikum Leipzig zur Neuroplastizität im Sprachnetzwerk. Von 2013 bis 2015 war sie als Juniorprofessorin für Biologische Psychologie an der Universität Kiel tätig. Von 2015 bis 2018 leitete sie die Forschungsgruppe Modulation von Sprachnetzwerken in der Abteilung für Neuropsychologie am Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften (MPI-CBS) in Leipzig. 2018 habilitierte sie sich im Fach Psychologie an der Universität Potsdam. Seit 2019 leitet sie die Lise-Meitner-Forschungsgruppe Kognition und Plastizität am MPI-CBS. Ihre Forschung zielt darauf ab, grundlegende Mechanismen der Anpassungsfähigkeit (Neuroplastizität) im menschlichen Gehirn zu identifizieren, die über die erwachsene Lebensspanne helfen, kognitive Funktionen aufrecht zu erhalten.