Après avoir obtenu son agrégation de philosophie, il enseigne à l'université et publie ses premiers ouvrages, comme Logique du sens en 1969, où il écrit avec Félix Guattari.
Il est également professeur à l'École normale supérieure de la rue d'Ulm et à la Sorbonne. Il collabore avec plusieurs artistes, écrivains et penseurs de son temps, comme Michel Foucault ou Jean-François Lyotard.
Son œuvre philosophique est marquée par sa réflexion sur les concepts tels que le différenciation, la singularité, la multiplicité, la rhizome et la puissance d'agrégation. Elle s'inscrit dans plusieurs domaines de la philosophie : la logique, la méta-physique, l'épistémologie, la politique, la psychologie, la sociologie, les sciences cognitives, l'anthropologie et l'éthique.
Gilles Deleuze est également connu pour son travail de traduction et sa collaboration avec d'autres auteurs comme Nietzsche, Hume ou Spinoza. Il publie également une biographie de Spinoza et des essais littéraires sur Stendhal, Proust ou Kafka.
Il reçoit en 1980 le prix Médicis étranger pour son roman autobiographique La vie nouvelle. En 1995, il est nommé membre de l'Académie française. Gilles Deleuze décède la même année à l'âge de 70 ans.
Sa pensée a eu un impact important dans plusieurs domaines de la théorie et de la pratique contemporains : les sciences sociales, les arts visuels, les sciences cognitives, les études littéraires et les humanités digitales. Sa réflexion sur le concept d'identité et sa déconstruction des notions traditionnelles de sujet, de genre et d'identité ont été particulièrement influentes dans le mouvement LGBT et la théorie queer.