Gilles Leroy est né en 1958 à Bagneux. Titulaire d'un baccalauréat en sciences expérimentales en 1975, il intègre hypokhâgne et khâgne au lycée Lakanal à Sceaux, lycée qui jouera un rôle central dans Les Maîtres du monde, roman paru en 1996, sous le nom de « lycée Ducasse ».
Il obtient une maîtrise de lettres modernes en 1979. Il exerce divers jobs de secours puis devient journaliste de presse écrite et audiovisuelle.
Gilles Leroy publie son premier roman, Habibi, en 1987, qui sera suivi d''une dizaine d'autres, dont notamment L'amant russe (2002), Grandir (2004) et Champ secret (2005). En 1995, il quitte définitivement sa vie parisienne pour s'installer en Normandie dans la région du Perche où il se consacre à l'écriture.
Il obtient le prix Goncourt en 2007 pour Alabama Song. Plusieurs de ses ouvrages comportent une dimension autobiographique, allant jusqu'à l'autofiction.
Il est également l'auteur de Zola Jackson, Dormir avec ceux qu'on aime, Nina Simone, Le monde selon Billy boy, Le château solitude, Les westerns.