En 1986, il écrit son premier scénario pour le film "Trois places pour le 26", réalisé par Gérard Krawczyk. L'année suivante, il réalise son premier court métrage, "Le Miroir à trois faces", qui obtient plusieurs prix à des festivals internationaux de cinéma.
En 1988, il écrit et réalise son premier long métrage, "Cinema paradiso", une comédie dramatique qui rencontre un grand succès critique et public. Ce film marque le début d'une collaboration fructueuse avec l'acteur Jacques Villeret.
En 1990, il réalise son deuxième long métrage, "Le Grand Bleu", une comédie dramatique qui raconte l'histoire d'un plongeur professionnel et de sa vie amoureuse. Ce film est considéré comme un classique du cinéma français et a été nommé pour quatre César.
En 1993, il réalise "Le Hussard sur le toit", une adaptation du roman éponyme d'Emile Zola. Ce film reçoit plusieurs prix internationaux et est nommé pour cinq César.
En 1996, il réalise son quatrième long métrage, "Le Coup de siècle", qui raconte l'histoire de la construction du canal de Suez. Ce film est un échec critique et commercial, mais a été salué pour sa mise en scène technique spectaculaire.
En 1998, il réalise "La Tête de maman", une comédie dramatique qui raconte l'histoire d'une jeune fille handicapée mentale et de son combat pour trouver un emploi. Ce film est acclamé par la critique et a été nommé pour deux César.
En 2001, il réalise "La Bûche", une comédie dramatique qui raconte l'histoire d'un couple de cinéastes qui se rendent en Suisse pour tourner un film. Ce film est acclamé par la critique et a été nommé pour trois César.
En 2004, il réalise "Les Choristes", une comédie dramatique qui raconte l'histoire d'un jeune homme qui devient le directeur d'un pensionnat de garçons pendant la Seconde Guerre mondiale et qui leur enseigne la musique. Ce film est un grand succès critique et commercial et a été nommé pour cinq César, dont celui du meilleur film.
En 2013, il réalise "La Famille Bélier", une comédie dramatique qui raconte l'histoire d'une famille de paysans qui découvre que leur fille a un don exceptionnel pour le chant. Ce film est acclamé par la critique et a été nommé pour neuf César, dont celui du meilleur film.
En 2017, il réalise "La Belle Époque", une comédie dramatique qui raconte l'histoire d'un couple de cinquante ans qui décide de réenacter leurs premiers jours ensemble pour voir si leur amour a toujours la même ardeur. Ce film est acclamé par la critique et a été nommé pour sept César, dont celui du meilleur film.
Gilles Dubost est également membre de l'Académie des beaux-arts, dont il fut élu en 2019. Il est considéré comme un des réalisateurs les plus talentueux et importants du cinéma français contemporain.