Frère cadet du comédien Philippe Lellouche, Gilles Lellouche passe par le Cours Florent entre (1992-1995) et joue sur les planches « Beaucoup de bruit pour rien » de Shakespeare et « Glengarry Glenn Ross » de David Mamet.

Il s'épanouit dans la réalisation en duo avec Tristan Aurouet avec le court métrage 2 MINUTES 36 DE BONHEUR (1996), des clips (Dany Brillant, Pascal Obispo, Lady Laistee, Saïan Supa Crew) et des publicités (Cégétel, France Télécom, Freee.fr, McDonald).

Après le second court POURKOI... PASSKEU (2001), le tandem signe un premier long remarqué, le stylisé et délirant NARCO (2004) avec Guillaume Canet, Léa Drucker et Mélanie Doutey, qui devient la femme de sa vie.

En solo, il traverse FOLLE D'ELLE (Jérôme Cornuau, 1998) et seconde Yvan Attal dans MES AMIS (Michel Hazanavicius, 1999), MA FEMME EST UNE ACTRICE (Attal, 2001) et ANTHONY ZIMMER (Jérôme Salle, 2005).

Il accompagne son copain Canet dans JEUX D'ENFANTS (Yann Samuell, 2003) et dans ses réalisations MON IDOLE, NE LE DIS À PERSONNE et LES PETITS MOUCHOIRS (2002-2010).

Il prend de l'épaisseur dans les ombres du DERNIER GANG (Ariel Zeitoun, 2007), de LA CHAMBRE DES MORTS (Alfred Lot, 2007, photo) et en comparse de Mesrine dans L'INSTINCT DE MORT (Jean-François Richet, 2008).

Il varie les genres avec Mélanie Doutey (ON VA S'AIMER, Ivan Calbérac, 2006, UNE PETITE ZONE DE TURBULENCES, Lot, 2009) et sans (PARIS, Cédric Klapisch, 2008, ADÈLE BLANC-SEC, Luc Besson, 2010).

Il prête sa voix pour la fantaisie Disney VOLT, STAR MALGRÉ LUI (Byron Howard, Chris Williams, 2008) et à un des LASCARS (Emmanuel Klotz, Albert Pereira-Lazaro, 2009).

Désormais vedette, il mène le polar boursier KRACH (Fabrice Genestal) et la course contre la montre À BOUT PORTANT (Fred Cavayé) (2010), et expérimente les aléas du couple de la rencontre salutaire MA PART DU GÂTEAU (Klapisch, 2011) au drame mauriacien THÉRÈSE DESQUEYROUX (Claude Miller, 2012).

Avec son copain Jean Dujardin, il initie le film à sketchs fantaisistes LES INFIDÈLES (2012) qu'il co interprète et dont il coréalise le segment LAS VEGAS.