Originaire de Minnéapolis, il part à Los Angeles afin de suivre des études de sciences politiques avant de rejoindre la rédaction du magazine new yorkais "Help". Gilliam devient alors illustrateur et directeur artistique. Sa vie bascule en 1969 lorsqu'il quitte le continent américain pour s'installer à Londres. Parallèlement à son travail de dessinateur pour le "Sunday Times Magazine", il réalise son premier court métrage animé intitulé "STORYTIME". Il fait la rencontre de la troupe comique, les Monty Pythons, dans laquelle il est très vite considéré comme un membre à part entière. Ainsi l'aventure commence. Il devient scénariste de leurs multiples sketches et s'occupent de la mise en scène. Il signe "SACRE GRAAL" en 1974, "LA VIE DE BRIAN" en 1979 parodiant la vie de Christ, ainsi que la satire sur la société moderne dans "LE SENS DE LA VIE" en 1983.

Conservant son esprit baroudeur et rêveur, il s'éloigne de l'humour british après 20 années de collaboration pendant lesquelles se concrétisa l'idée de réaliser ses propres films. Son premier long métrage "JABBERWOCKY" sort en 1977, puis il tourne son premier film d'aventure "BANDITS, BANDITS" en 1982. Trois ans plus tard, le cultissime "BRAZIL" est un succès auprès du public et des critiques. Nourri de l'esprit des Monty Python, il n'hésite pas à retranscrire des éléments de son existence personnelle où ses personnages montrent un désinterêt prononcé pour le monde actuel, préférant s'avader dans leur inamginaire.

Telle un âme d'enfant dans un corps d'adulte, les rôles attribués dans ses films sont les représentants du fantasque. Ainsi, il réalise en 1989 "LE BARON DE MUNCHAUSEN" et devient un cinéaste de renom avec son remake de "La jetée" sous le nom de "L'ARMEE DES 12 SINGES". En 1999, il met en scène Robin Williams dans "FISHER KING" dont le film obtient quatre nominations aux oscars. Gilliam replonge ensuite dans l'univers délirant en portant à l'écran "LAS VEGAS PARANO" issu du roman hallucinogène du gonzo écrivain "Hunter S. Thomson". En 2000, il entame le tournage dont il rêvait depuis de nombreuses années: "THE MAN WHO KILLED DON QUIXOTE ". Hélas, le film ne verra jamais le jour et sera arrêté au bout d'une semaine faute de budget. "LES FRERES GRIMM" en 2004 lui permettront de réaliser deux ans plus tard "TIDELAND" où une jeune fille traumatisée par la mort de sa mère fuit sa solitude dans un monde imaginaire. En 2009, il réunit Heath Ledger, Johnny Deep et Jude Law dans "L'IMAGINARIUM DU DOCTEUR PARNASSUS".