Nach Besuch des Pariser Lycée Henri IV studierte Gilson an der Sorbonne, wo er vor allem L. Lévy-Bruhl zu seinen Lehrern zählte, beeinflußt zugleich von der philosophischen Sicht Henri Bergsons. Während seiner Jahre als Gymnasiallehrer in der französischen Provinz (1907-1913) vollendete er seine thèse über Descartes und erhielt dann eine Professur in Lille. Im ersten Weltkrieg geriet Gilson vor Verdun 1916 in deutsche Gefangenschaft und konnte seine Professur in Lille erst wieder 1919 wahrnehmen, um im selben Jahr nach Straßburg zu wechseln. Von 1921 bis 1932 lehrte er in Paris an der Sorbonne, von 1932 bis 1951 am Collège de France, doch hielt er zugleich Kurse am Pontifical Institute of Mediaeval Studies in Toronto, an dessen Gründung 1929 er beteiligt war und das er ab 1951 als Direktor leitete. 1947 wurde Gilson Mitglied der Académie Française, 1949 Offizier der Ehrenlegion.

Parallel zu seinen Descartes-Studien widmete sich Gilson früh der mittelalterlichen Philosophie mit dem besonderen Schwerpunkt in der Früh- und Hochscholastik. In zahlreichen Büchern und Aufsätzen, auch auf Kongressen und Vortragsveranstaltungen, behandelte er die Lehren Augustins, Bernhards von Chartres, Abaelards, Bonaventuras, des Johannes Scotus, vor allem aber des Thomas von Aquin. Von nachhaltigem Einfluß waren "L'esprit de la philosophie médiévale" (1932), seine "History of Christian Philosophy in the Middle Ages" (1955) und seine "Introduction à la philosophie chrétienne" (1960). Dem Nachweis einer genuin christlichen Philosophie galt seine suggestive Thomas-Interpretation "L'être et l'essence" (1948).