Né le 18 juin 1963 à Marseille, Gilles Marchand étudie à l'IDHEC, où il se lie d'amitié avec Dominik Moll et Laurent Cantet. Il commence sa carrière comme scénariste et conseiller à la réalisation, signant en 1999 Ressources humaines pour Laurent Cantet puis, en 2000, Harry, un ami qui vous veut du bien pour Dominik Moll, film sélectionné en compétition officielle à Cannes qui rencontre un grand succès public et critique. Il passe lui-même à la réalisation en 2002 avec Qui a tué Bambi ?, présenté en sélection officielle au Festival de Cannes 2003. Il continue en parallèle d'écrire pour d'autres cinéastes, notamment Bon Voyage avec Jean-Paul Rappeneau, ainsi que Feux rouges et L'Avion avec Cédric Kahn. En 2005, il retrouve Dominik Moll pour le scénario de Lemming, sélectionné en compétition officielle et présenté à l'ouverture du Festival de Cannes. En 2010, il réalise son second long métrage, L'Autre Monde, de nouveau coécrit avec Moll et présenté en sélection officielle à Cannes. Il écrit ensuite Main dans la main pour Valérie Donzelli et participe au scénario d'Eastern Boys de Robin Campillo, nommé au César du meilleur film en 2015. En 2016, sa comédie Des nouvelles de la planète Mars, coécrite avec Dominik Moll, est présentée en sélection officielle à la Berlinale. Plus récemment, il coécrit avec Dominik Moll le scénario de La Nuit du 12, César du meilleur film en 2023.
Son cinéma de réalisateur emprunte aux codes du fantastique et du thriller psychologique, situant ses intrigues dans des lieux en apparence banals mais chargés de mystère, comme le montre Qui a tué Bambi ? dans un cadre hospitalier.
Gilles Marchand a reçu le César du meilleur scénario pour Bon Voyage et le César de la meilleure première œuvre pour Qui a tué Bambi ? en 2004.
Il forme depuis l'IDHEC un duo d'écriture récurrent avec Dominik Moll, avec qui il a collaboré sur Harry, un ami qui vous veut du bien, Lemming, L'Autre Monde, Des nouvelles de la planète Mars et La Nuit du 12. Il a également coécrit plusieurs films avec Cédric Kahn ainsi qu'avec Laurent Cantet à ses débuts.
Son œuvre de scénariste et de réalisateur explore souvent l'ambiguïté et le trouble qui se cachent derrière une normalité apparente, qu'il s'agisse du monde du travail, du milieu hospitalier ou des relations de couple.