Gilles Bourdos débute sa carrière de cinéaste au début des années 90 par la réalisation de quelques courts métrages dont L'Eternelle idole (1989) et Relache (1992). Après avoir écrit le scénario de Emmène-moi (1994) pour Michel Spinosa, il crée avec lui Persona Films et produit le premier film de Sylvie Verheyde : Un frère en 1997. Bourdos passe au long-métrage en 1998 avec Disparus, l'histoire d'un ouvrier juif poursuivi par la police communiste de Staline et qu'incarne Grégoire Colin.

Il dirige à nouveau l'acteur dans Inquiétudes (2002), une forme de thriller sur la rencontre de deux personnages hors du commun. Le cinéaste revient en 2007 avec un casting international composé de Romain Duris, Evangeline Lilly et John Malkovich dans Et après, adaptation d'un roman de Guillaume Musso. Le film est sélectionné au Festival de Toronto. En 2012, il réalise Renoir dans lequel Michel Bouquet incarne le peintre dans les dernières années de sa vie, aux côtés de Vincent Rottiers et Christa Theret.

Quatre ans plus tard, Gilles Bourdos refait équipe avec Rottiers pour Espèces menacées, qui relate trois histoires d'amour entrelacées avec également Alice Isaaz et Grégory Gadebois au casting principal. Il faut ensuite attendre fin 2024 pour voir le nouveau long métrage du cinéaste. Il s'agit de Le Choix, un drame dans lequel Vincent Lindon incarne un mari et père de famille à la vie parfaitement organisée qui, le temps d'une nuit, est amené à prendre une décision vitale au volant de sa voiture...