Gillian inizia a recitare fin da giovane in teatrini amatoriali e, finita la scuola, si iscrive al National Theatre of Great Britain della Cornell University of Ithaca a New York e poi al Goodman Theater School of Drama della Chicago's DePaul University.
Dopo essersi fatta notare, nel 1992 debutta al cinema con "The Turning" di L.A. Puopolo. Trasferitasi a Los Angeles, rifiuta diversi ruoli televisivi finchè non arriva il provino per interpretare il ruolo dell'agente Dana Scully nella serie "X-Files".
Nel giro di un paio di stagioni per lei e il suo collega David Duchovny (Fox Mulder nella serie) arriva il grande successo anche a livello internazionale.
Grazie alla fortunata serie ottiene un Emmy e due Golden Globe. Nel 1998 compare nella versione cinematografica di X-Files e in altri due film: "Basta guardare il cielo" di Peter Chelsom e "Scherzi del cuore" di Willard Carroll dove dimostra di essere una brava attrice anche se relegata al ruolo di comprimaria.
Nel 2000, dopo una pausa di riflessione, vola a Londra dove viene contattata dal regista Terence Davies, che le affida la parte di Lily Barth, la protagonista de "La casa della gioia".
Nel 2005 gira "A Cock and Bull Story" e ha interpretato il film drammatico "L'ultimo re di Scozia" (2006) accanto a Forest Whitaker.
Torna a vestire i panni dell'agente speciale Dana Scully in "The X-Files: I want to believe" (2008).