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.
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.