Enfant prodige, il a remporté son premier titre de champion de France juniors en 1980 sur route. Il devient professionnel l'année suivante dans l'équipe Renault-Elf, puis la rejoindra deux autres fois entre 1985 et 1987.
En 1986, il remporte sa première victoire sur le Tour de France en gagnant la 20e étape à La Mongie. Il s'illustre également lors des classiques, notamment au championnat du monde sur route en 1985 où il termine troisième, et au Critérium International où il remporte l'édition de 1987.
En 1988, il est sélectionné pour les Jeux olympiques d'été à Séoul, où il terminera huitième de la course en ligne. La même année, il rejoint l'équipe Z-Peugeot et y reste jusqu'en 1994.
En 1992, Christophe Perrillat Collomb participe à son deuxième Tour de France, où il remporte une nouvelle fois une étape à Courchevel. Il termine également troisième du classement général final et est élu cycliste français de l'année par les journalistes spécialisés.
En 1993, il remporte le Tour Méditerranéen et la Course de la Paix. En 1994, il gagne deux étapes du Critérium du Dauphiné Libéré, qu'il termine à la troisième place.
En 1995, Christophe Perrillat Collomb rejoint l'équipe Castorama, où il restera jusqu'en 2001. Il remporte notamment le Tour de l'Ain en 1996 et le Critérium du Dauphiné Libéré en 2000.
En 2001, après vingt-deux ans de carrière professionnelle, il annonce sa retraite sportive. Il continue alors à travailler dans le monde du cyclisme, en tant qu'entraîneur ou directeur sportif d'équipes françaises.
En 2014, Christophe Perrillat Collomb est élu au Temple de la renommée du cyclisme français. Il a ainsi rejoint les rangs des grands noms de l'histoire du cyclisme français, tel que Jacques Anquetil, Bernard Hinault ou Laurent Fignon.