Nato a Minneapolis - nel Minnesota - nel 1940, disegnatore e collaboratore della rivista «Mad», alla fine degli anni Sessanta si trasferisce in Inghilterra, dove lavora in televisione con vari incarichi.

Nel ’69 è tra i fondatori dei Monty Python (celeberrimo gruppo comico che rimarrà attivo fino all’inizio degli anni Ottanta e formato anche da Graham Chapman - 1941-1989 -, John Cleese - classe 1939 -, Eric Idle - n. 1943 -, Terry Jones - 1942-2020 - e Michael Palin - n. 1943), contribuisce alla nascita del Flyng Circus, per il quale realizza la sigla e numerosi sketches animati utilizzando la tecnica del “cut out”.

Nel ’74 dirige - insieme a T. Jones - Monty Python e il Sacro Graal, esilarante parodia della ricerca del Graal. La rapida variazione dei toni narrativi, l’abilità nel fondere lo scatologico con lo struggente ed uno stile di regia che porta nel cinema dal vivo la stessa libertà creativa dell’animazione saranno le caratteristiche fondamentali e peculiari più evidenti anche dei film successivi.

Il primo lungometraggio, Jabberwocky (1977), rinvia al medioevo ed ai suoi paradossi e, come tutti i mondi costruiti da Gilliam, sembra sfasciarsi di fronte agli occhi dello spettatore/spettatrice.

Con I banditi del tempo (1981), interpretato da un superlativo Sean Connery, definisce un altro tema ricorrente, quello del viaggio - mai indolore - nello spazio e nel tempo.

Con Brazil (1985) disegna invece una libera rilettura del celebre romanzo di George Orwell 1984, in un’opera debordante e visionaria in cui si profila un futuro disumano ed inquietante, con una vena apocalittica che, undici anni dopo, tornerà anche in L’esercito delle dodici scimmie (1996).

Nel 1988 conferma il suo eccezionale estro figurativo e la sua folgorante visionarietà con Le avventure del Barone di Münchausen, che si svolge in un Settecento beffardo e demenziale.

Con La leggenda del Re Pescatore (1991) ritorna al mito del Graal trasferendone la ricerca a New York e caricando un oggetto smarrito di tutti i sensi ed i simbolismi che la letteratura ed il mito gli hanno attribuito.

Cercare un qualcosa che non si ha voglia di nominare, affermare verità terribili sul mondo così come lo conosciamo fingendo di non avere il controllo di sé è la sostanza dello squinternato Paura e delirio a Las Vegas (1998), versione libera nella forma - ma molto fedele nello spirito - del libro omonimo di Hunter Stockton Thompson.

Nel 2002 lavora al progetto di portare al cinema una sua personale versione del Don Chisciotte di Cervantes, ma la lavorazione incontra numerosissimi ostacoli ed il film, come già avvenuto trent’anni avanti ad Orson Welles con un progetto analogo, rimarrà un paradigmatico esempio di opera incompiuta.

L’anno prima, nonostante il parere favorevole dell’autrice J. K. Rowling, viene scartato per la direzione del primo film della saga di Harry Potter (Harry Potter e la pietra filosofale - 2001 - di Chris Columbus).

Dopo una pausa di qualche anno, nel 2005 torna alla regia con I fratelli Grimm e l’incantevole strega, in cui segue le avventure e le peripezie di due imbroglioni che si aggirano fra i villaggi teutonici raccontando storie fantasiose per sbarcare il lunario, e che poi si troveranno a dover fare veramente i conti con il soprannaturale.

L’anno seguente dirige Tideland - Il mondo capovolto (2006), tratto dal libro omonimo di Mitch Cullin, ed in cui dà sfogo a tutta la sua indole visionaria nella vicenda fantastica e dark di una bambina che vive nel suo mondo alla rovescia.

Nel 2009 dirige l’ottimo Parnassus - L’uomo che voleva ingannare il diavolo (2009), con Heath Leadger e Christopher Plummer.

In epoche più recenti ha diretto The Zero Theorem - Tutto è vanità (2013) e L’uomo che uccise Don Chisciotte (2018).

Da attore ha recitato nella serie tv Monty Python’s Flyng Circus (1969-74, quarantacinque episodi), in alcuni film tv  (Euroshow 71 - 1971 -, Monty Python’s Fliegender Zirkus - 1971 -, Pleasure at Her Majesty’s - 1975) ed in film quali E ora qualcosa di completamente diverso (1971) di Ian MacNaughton, Brian di Nazareth (1979) di Terry Jones, Monty Python Live at the Hollywood Bowl (1982), Monty Python - Il senso della vita (1983), Spie come noi (1985) di John Landis, Monty Python Live (Mostly) (2014), Jupiter - Il destino dell’universo (2016) di Lana e Andy Wachowsky