Frère du comédien Philippe Lellouche. Diplômé du Cours Florent, Gilles Lellouche débute sa carrière dans le cinéma comme réalisateur de courts métrages (2 minutes 36 de bonheur (1996), Pourkoi... passkeu (2001), ce dernier faisant partie du programme Zéro un produit par Luc Besson). Elaborant de nombreux clips musicaux - pour Dany Brillant, Pascal Obispo et MC Solaar - avec son ami Tristan Aurouet, il multiplie également les petits rôles à l'écran (Les Soeurs Hamlet, Folle d'elle, Ma femme est une actrice...) jusqu'à sa rencontre avec Guillaume Canet. Ce dernier le dirigera dans ses films Mon idole (2002) et Ne le dis à personne (2006), et Gilles Lellouche lui rendra la pareille en lui confiant le rôle principal de son premier long métrage Narco (2004). A partir de 2005, l'acteur-cinéaste devient un habitué des comédies romantiques, jouant les losers dans Ma vie en l'air ou les machos au coeur tendre On va s'aimer, et donnant la réplique à Marie Gillain dans Ma vie n'est pas une comédie romantique (2007). Il aime aussi à composer des personnages nettement moins sympathiques comme l'enseignant aigri de Ma place au soleil (2007), l'un des malfrats de La Chambre des morts (id.) ou le maraîcher gaffeur de Paris (2008). Gilles Lellouche compte également à son actif trois films retraçant l'odyssée criminelle de gangsters français : Le Dernier gang en 2007 et l'année suivante Sans arme, ni haine, ni violence et le premier volet du diptyque consacré à Jacques Mesrine, L'Instinct de mort. 2009 est doublement marquée par le cinéma d'animation. Le comédien prête sa voix à deux reprises cette année-là. Tout d'abord pour Rhino, le hamster délirant du Volt des studios Disney, puis ensuite pour l'inquiétant Zoran dans l'adaptation cinématographique des Lascars. Pas moins de cinq films attendent Gilles Lellouche en 2010. Il est l'inspecteur Caponi de l'Adèle Blanc-Sec de Luc Besson et tourne à nouveau sous la direction de Guillaume Canet pour Les Petits mouchoirs. Il tient aussi le rôle principal des thrillers français Krach de Fabrice Genestal et A bout portant de Fred Cavayé.