En 1979, il réalise son premier film, "Tendre Vengeance", un thriller érotique avec Jean-Pierre Cassel et Sylvia Kristel. C'est également l'année où il fonde sa société de production, Cockburn Film Productions.
Durant les années 80, Gilles Cockburn réalise des films tels que "Les Coups de coeur" (1983), avec Christiane Fesneau et Michel Bouquet, et "Sous le soleil de Satan" (1987), avec Isabelle Adjani. Il se fait remarquer en travaillant sur des projets originaux, en utilisant des technologies cinématographiques avancées et en mettant l'accent sur la qualité technique de ses films.
Dans les années 90, il produit des films tels que "L'Amant" (1992), adaptation de l'œuvre de Marguerite Yourcenar, et "La Reine Margot" (1994), avec Isabelle Adjani et Vincent Perez. Il travaille également sur la série télévisée "Highlander", en tant que réalisateur et producteur exécutif pour plusieurs épisodes de la troisième saison (1993-1994).
En 2005, Gilles Cockburn revient au cinéma après une longue absence avec le film "La Femme du cosmonaute" qui raconte l'histoire vraie d'une femme qui perd son mari lors d'un vol spatial. Ce film est salué par la critique et rencontre un grand succès commercial en France.
Gilles Cockburn est également connu pour son travail dans le domaine du documentaire, notamment avec "Le Testament de la liberté" (2013), qui retrace l'histoire de l'Internationale anarchiste et des mouvements libertaires. Ce film est présenté en première mondiale au Festival de Cannes 2013.
Enfin, il est également un peintre émérite et ses œuvres ont été exposées dans plusieurs galeries et musées à travers le monde.