Petit-fils de l'écrivain bourlingueur Blaise Cendrars (auquel il consacrera un documentaire) et lui-même grand voyageur (il a écrit un livre sur l'île de Pâques), Thomas Gilou étudie le cinéma à l'université et signe en 1979 son premier film, General Lee et ses Teddy Boys, un documentaire de quarante minutes sur une bande de rockers parisiens. Fondateur avec Olivier Esmein de la maison de production Amorce Fim, il signe en 1984 La Combine de la girafe, court métrage très remarqué, qui décroche une nomination au César du Meilleur court métrage.

En 1986, Thomas Gilou réalise son premier long métrage, Black mic-mac, une plongée drôle et chaleureuse dans la communauté noire parisienne. Cette comédie, coécrite notamment par Cheik Doukouré et Patrick Braoudé, fait un tabac en salles et vaut à Isaach de Bankolé le César du Meilleur jeune espoir en 1986. Malgré ce succès, le cinéaste attendra près de dix ans pour réaliser son deuxième opus, Raï (Léopard d'Or à Locarno en 1995), ou le portrait de jeunes de cités en galère, avec le débutant Samy Naceri.

Productrice de Raï, la société Vértigo Films fait ensuite appel à Thomas Gilou pour réaliser une comédie sur les Juifs du Sentier proposée par deux scénaristes inconnus, Michel Munz et Gérard Bitton : c'est le début de l'aventure La Vérité si je mens. Porté par les prestations hautes en couleurs de José Garcia ou Gilbert Melki, le film connaît un triomphe inattendu, se classant troisième au box office 1997, et fera l'objet d'une suite tout aussi populaire, également réalisée par Gilou (ce qui ne fut pas le cas de Black mic-mac 2). Entretemps, le cinéaste explore l'univers latino dans Chili con carne, mais cette fois le public ne suit pas.

Passionné par le thème du dialogue entre les cultures et les communautés, Gilou, auteur de documentaires sur les enfants cachés de la Seconde Guerre mondiale (Paroles d'étoiles), revient en 2007 avec Michou d'Auber, l'histoire d'un petit Kabyle d'Aubervilliers recueilli par une famille berrichonne dans les années 60, un film qui marque les retrouvailles du couple Depardieu-Baye. Toujours sur le thème de l'adoption, il réalise Victor en 2009, dans lequel un octogénaire (Pierre Richard) est accueilli par une famille aisée, après avoir été expulsé de son logement.

Après 3 ans d'absence, Thomas Gilou retourne à ses anciennes amours, début 2012, avec La Vérité si je mens ! 3, dernier épisode très attendu des aventures d'Eddie Vuibert (Richard Anconina) et sa bande. On y retrouve tous les principaux acteurs du premier opus, y compris Vincent Elbaz, lequel avait été évincé du second volet au profit de Gad Elmaleh.