Très tôt, Gilles Gaston-Dreyfus aspire à embrasser une carrière de comédien. De 1981 à 1984, il suit ainsi le cours Jean Perimony, comédien de théâtre et de cinéma renommé. Directeur de la compagnie du Chapeau, Gilles Gaston-Dreyfus monte très vite sur les planches dans des classiques tels que Les Fourberies de Scapin ou L' Avare mais aussi dans des pièces contemporaines tels que Le Tigre de Murry Shisgal ou encore Les Libertins de Roger Planchon. Fraîchement diplômé, il investit alors les plateaux de tournage du petit écran dès 1985, et apparaît pour la première fois au cinéma dans Escalier C de Jean-Charles Tacchella où il tient le rôle de Virgile. Très vite, il se spécialise dans des rôles de personnages comiques à l'humour décalé.

Pendant une dizaine d'années, Gilles Gaston-Dreyfus interprète différents rôles pour la télévision et le théâtre. C’est avec Édouard Baer, qu’il connaît un regain de popularité, notamment avec le cultissime "Centre de visionnage" de l'émission "Nulle part ailleurs" sur la chaîne Canal + de 1997 à 1999. Il incarne le sentencieux Me Morissard, éternel rouspéteur, personnage devenu culte. Sa collaboration auprès d'Edouard Baer est fructueuse et il livre toujours de véritables morceaux d’anthologies, en collègue fatigué dans La Bostella (1999) ou encore en narrateur lunaire et envahissant dans Akoibon (2004).

Il poursuit sa carrière au cinéma, toujours sous l'impulsion de son compère et ami Edouard Baer, où il joue des seconds rôles délurés et attachants, dans des films à succès comme Neuf mois, Mariages ! ou Incontrôlable. Fantôme homosexuel obsédé par le repassage dans Poltergay, ou encore proviseur ami des poissons rouges dans Hellphone, Gilles Gaston-Dreyfus, comique dans l'âme, cultive un côté décalé qui fait toujours recette, que ce soit dans "Le centre de visionnage" ou encore dans les détournements de la campagne électorale 2007 sur le site de Karl Zéro.

Acteur multicarte cependant, ayant à son actif une soixantaine de films, il passe facilement de la comédie loufoque et déjantée comme Enfermés dehors d'Albert Dupontel, à des oeuvres dramatiques telles que Le Convoyeur, ou encore au théâtre, qui reste sa formation d'origine. Sa carrière est également marquée par d'autres collaborations, notamment avec le réalisateur Nicolas Boukhrief pour Le Convoyeur (2004), Cortex (2008) et Gardiens de l'ordre (2010). En 2004, Bertrand Tavernier l’utilise avec subtilité en lui offrant le rôle d’Yves Fontaine, un père adoptif rigoriste, maladroit et buté dans Holy Lola. Dans Cherche fiancé tous frais payés, avec sa partenaire Isabelle Gélinas, il s'impose face au couple Alexandra Lamy-Bruno Salomone.

En 2010, il retrouve encore une fois son compère Edouard Baer, dans le film adapté du roman de Marc Dugain, Une exécution ordinaire, passant sans difficulté de la comédie au registre dramatique.