Après des études de lettres modernes, il obtient son diplôme d'études supérieures d'histoire de l'art en 1980 à l'université Paris-Sorbonne. Il débute dans le monde du cinéma comme assistant réalisateur pour des documentaires et une émission télévisée sur les bandes dessinées.
En 1982, il réalise son premier court métrage, "Le Rêve de la mort". Cette même année, il rencontre Claude Lelouch qui lui propose de travailler pour son société de production et de réaliser des courts métrages publicitaires.
En 1986, il sort son premier long métrage, "Le Dernier Mot", qui remporte le prix Louis-Delluc. L'année suivante, il obtient une nomination aux Césars pour ce film.
Pendant les années 1990, Gilles Bourdouleix réalise plusieurs films, parmi lesquels "Une pour toutes", "Le Père Noël est une ordure" et "La Belle Verte". Il travaille également comme animateur de télévision sur des émissions telles que "Nulle part ailleurs" et "Ça se discute".
En 2001, il réalise "Le Fils", qui remporte le prix Louis-Delluc et est nommé aux Césars. L'année suivante, il obtient une nouvelle nomination aux Césars pour "Monsieur Ibrahim et les Fleurs du Coran".
En 2003, Gilles Bourdouleix se voit offrir la réalisation de la comédie musicale "Notre-Dame de Paris", qui connaît un grand succès en France.
Pendant les années suivantes, il continue à réaliser des films et des émissions télévisées, notamment "L'Enfant du siecle" et "Le Petit Nicolas". Il travaille également comme producteur sur plusieurs projets cinématographiques.
En 2017, il réalise "L'Empereur de la nuit", qui connaît un accueil mitigé des critiques.
Depuis quelques années, Gilles Bourdouleix travaille sur plusieurs projets cinématographiques, notamment un long métrage autobiographique et une comédie musicale.