Fils d'un éditeur et critique littéraire, Gilles Pelletier quitte son village natal et s'installe très jeune à Montréal où il suivra une formation intensive auprès de Sita Riddez, François Rozet, Henri Norbert et Eleanor Stuart.

Il débute au Québec en 1945 avec la troupe de théâtre l'Équipe de Pierre Dagenais dans Le Songe d'une nuit d'été de Shakespeare et, par la suite, participe à plusieurs de leurs pièces. En 1949, il interprète le rôle-titre de Britanicus de Jean Racine dans une production des Compagnons de Saint-Laurent.

Au cours de sa carrière, Gilles Pelletier joue dans de nombreux téléthéâtres mais, au cours des années 1950 aussi le personnage du Capitaine Aubert, qu'il interprète dans le téléroman Cap-aux-sorciers, et qui le rend très populaire.

Aussi joue-t-il ensuite dans plusieurs films tournés au Québec dont "La loi du Silence" (I Confess) d'Alfred Hitchcock (1953), Bingo de Jean-Claude Lord (1974) et Jésus de Montréal de Denys Arcand (1989).

En 1964, avec Georges Groulx et Françoise Gratton, il fonde La Nouvelle Compagnie Théâtrale (NCT) dont la vocation première sera d'initier les étudiants d'art dramatique du Québec au grand répertoire classique. Il y signe plusieurs mises en scène et y défend de nombreux rôles-titres dont Philoctète de Sophocle, Macbeth de Shakespeare, Le Cid de Corneille et Cyrano de Bergerac d'Edmond Rostand.

En 1982, Gilles Pelletier quitte la direction de la NCT qui devient plus tard le Théâtre Denise-Pelletier (1997). Il poursuit une carrière des plus actives au cinéma, au théâtre et à la télévision; entre autres dans l'Héritage, adaptation télévisuelle du roman de l'auteur québécois Victor-Lévy Beaulieu.

Il est le compagnon de vie de la comédienne Françoise Graton et le frère de Denise Pelletier, auxquelles il survit.

Le fonds d'archives de Gilles Pelletier est conservé au centre d'archives de Montréal de Bibliothèque et Archives nationales du Québec.