Né le 18 juin 1963, Gilles Marchand fait ses études à l'école de cinéma de Paris, l'IDHEC (actuelle FEMIS) où il rencontre Dominik Moll, Thomas Bardinet et Laurent Cantet, avec qui il ne cessera de collaborer par la suite. Il fait ses premiers pas dans le cinéma en composant la musique de son camarade Thomas Bardinet sur le court-métrage Caroline et ses amies (1991) et débute sa carrière de scénariste en 1998 avec Les Sanguinaires, premier long métrage télévisé de Laurent Cantet, dans lequel il tient également un petit rôle. Cette période est également celle où il s'essaie à la réalisation de courts-métrages avec pas moins de quatre productions étalées entre 1987 et 1999 ( dont L' Etendu et C'est plus fort que moi).

L'année suivante, Gilles Marchand scénarise le film qui révèlera son ami Laurent Cantet, Ressources humaines, et qui lui offre également une exposition nouvelle dont il entend fructifier. C'est en effet de façon inspirée qu'il connaît la consécration en tant que scénariste avec l'inquiétant Harry, un ami qui vous veut du bien pour lequel il expose la vision d'un autre camarade d'étude, Dominik Moll. Le film, sélectionné en compétition officielle à Cannes en 2000 lui offre le César du Meilleur Scénario et remporte un succès tant critique que public qui lui procurent l'opportunité de suivre à son tour le chemin tracé par ses confrères précédemment. Après avoir signé le scénario de Bon Voyage de Jean-Paul Rappeneau en 2002, il passe ainsi à la réalisation avec Qui a tué Bambi ?, d'où se dégage déjà cet univers si étrange et envoûtant dans lequel il se retrouve si bien. Cette singularité dont il ne se départira plus, le destine à son tour aux honneurs de la sélection en compétition officielle du Festival de Cannes 2003.

Une nouvelle carrière s'ouvre alors pour le scénariste qui reste néanmoins fidèle à une certaine "école" indépendante du cinéma français en collaborant successivement avec Dominik Moll pour Lemming en 2004, également sélectionné à Cannes puis avec Cédric Kahn et son Avion l'année suivante. Il revient par la grande porte à la mise en scène en 2008 avec L' Autre monde où il relate la fascination trouble d'un jeune homme (Grégoire Leprince-Ringuet) pour une mystérieuse femme (la de plus en plus populaire Louise Bourgoin) qui l'entraîne au plus profond d'un jeu virtuel aux conséquences bien réelles. Le film est lui aussi présenté à Cannes dans la Compétition officielle du Festival de 2010.