Diplômé des prestigieux Cours Florent, Gilles Lellouche ne trouve pourtant pas de rôle lors de son arrivée dans le métier. Il se lance alors dans la réalisation et produit deux courts métrages : 2 minutes 36 de bonheur en 1996 et Pourkoi...Passkeu en 2001. Il réalise par la suite, à l'aide de son ami réalisateur Tristant Aurouet, plusieurs clips musicaux pour des artistes comme Dany Brillant, MC Solaar ou Pascal Obispo.
Le cinéma fait appel à lui à partir de 1998 où il décroche de petits rôles dans des comédies comme Ma Femme est une actrice d'Yvan Attal, Mon idole de Guillaume Canet ou encore Jeux d'enfants avec la brillante Marion Cotillard.
Gilles Lellouche revient à son amour pour la réalisation en 2003. A l'aide de son ami Tristant Aurouet, il réalise Narco avec Benoit Poelvoorde, Zabou Breitman et Guillaume Canet.
Sa carrière de comédien décolle en 2006 avec le film On va s'aimer où il donne la réplique à Alexandra Lamy et Mélanie Doutey. Il tourne ensuite dans l'adaptation cinématographique du roman d'Harlan Coben : Ne le dis à personne. Depuis, l'acteur enchaîne les rôles. Fin 2006, Gilles Lellouche partage l'affiche de Le Héros de la famille avec Emmanuelle Béart, Gérard Lanvin et Catherine Deneuve. En 2007, il donne aussi la réplique à André Dussollier, Jacques Dutronc et Elodie Bouchez dans Ma Place au Soleil.
Il est actuellement à l'affiche du film Paris de Cédric Klapisch dans lequel il partage la vedette avec Juliette Binoche, Romain Duris et Fabrice Luchini.
Voir la bande annonce :



Koh-Lanta
Le Tour en fête
Le monde de Narnia : Le lion, la sorcière blanche et l'armoire magique
N.C.I.S. : Enquêtes spéciales

