Après des études littéraires, Denis Gheerbrant rentre à l'IDHEC en section réalisation et prises de vues. De 1972 à 1977, il enseigne à l'Université de Paris I et de Paris VIII. En parallèle, il expose ses photographies. En 1978, il revient au cinéma en réalisant Printemps de square. La même année, il collabore avec Jean-Pierre Denis à la photographie et au scénario d'Histoire d'Adrien qui remporte la caméra d'or à Cannes en 1980. Deux ans plus tard, les deux hommes travailleront à nouveau ensemble sur La Palombiere.

Sa carrière au cinéma se divise alors entre son travail de directeur de photographie auprès de cinéastes comme René Allio, Alain Bergala et Jean-Pierre Limosin ou Jean-Pierre Thorn et ses propres réalisations de documentaires qu'il tourne souvent seul avec sa caméra.. Avec Amour rue de Lappe (1984), il revient sur une rue populaire parisienne à travers de la vie de trois couples. L'année suivante, il part à la rencontre de jeunes issus de l'immigration à Aulnay-sous-bois pour Question d'identité. La banlieue sera à nouveau au centre d'autres de ses films comme Et la vie (1991) autour de friches industrielles ou Grands comme le monde (1999) sur des élèves en Zone d'Education Prioritaire (ZEP).

Ce dernier film bénéficie d'une sortie en salle tout comme La Vie est immense et pleine de dangers quatre ans plus tôt sur un groupe de jeunes enfants atteints du cancer. La plupart de ses autres oeuvres sont destinées au petit écran. A l'automne 2002, Et la vie et Le Voyage à la mer (2001) bénéficient d'une sortie sur grand écan dans le cadre d'un Mois du film documentaire.