Gilroy se narodil v Santa Monice, Kalifornii jako syn Pulitzerem oceněného dramatika Franka D. Gilroye a sochařky, spisovatelky Ruth Dorothy. Jeho bratr Tony Gilroy je scenárista a režisér a jeho dvojče John Gilroy je filmový editor. Gilroy vyrostl v Washingtonville v New Yorku a absolvoval na Washingtonville High School. Vystudoval Dartmouth College v roce 1981.

Gilroy se nejdříve živil jako scenárista. Jeho první scenáristickou prací byl sci-fi thriller Freejack (1992), následně spolupracoval na scénářích s Dennisem Hopperem. Také byl jeden z (mnoha) spisovatelů, který přispěl k filmu Superman žije.

V roce 2014 poprvé zasedl na režisérskou stoličku a natočil krimi film Slídil. K filmu také napsal scénář, za který získal nominaci na Oscara za nejlepší původní scénář.

Od roku 1992 je ženatý s Rene Russo, mají dceru Rose, která se narodila v roce 1993.