Thomas Gilou étudie le cinéma à l’université et tourne à 24 ans le moyen métrage documentaire General Lee et ses Teddy Boys qui suit le parcours de rockers parisiens. Co-fondateur de la société Amorce Films, il réalise le court métrage La Combine de la girafe, salué d’une nomination aux César et du Prix du Public au Festival de Clermont-Ferrand. Son premier long métrage Black Mic-mac, peinture truculente et touchante de la communauté noire parisienne connaît un grand succès en salles et vaut à Isaach de Bankolé le César du Meilleur Espoir Masculin.  Son deuxième opus, Raï, qui évoque la jeunesse en cité, remporte le Léopard d’Or au Festival de Locarno. À la demande de Vertigo Films, il réalise une comédie sur les Juifs du Sentier écrite par Michel Munz et Gérard Bitton : La Vérité si je mens. Porté par des dialogues savoureux, des situations cocasses et l’interprétation haute-en-couleur de Richard Anconina, Bruno Solo, José Garcia, Gilbert Melki, Vincent Elbaz, Richard Bohringer et Elie Kakou, mais aussi Aure Atika et Amira Casar, le film bat tous les records au box-office et connaît deux suites au succès triomphal. Entre-temps, le cinéaste se plonge dans la culture latino avec Chili con carne et travaille sur une mini-série documentaire consacrée aux enfants cachés de la Seconde Guerre mondiale : Paroles d’étoiles. Pour France 5, il évoque également son grand-père écrivain Blaise Cendrars dans Éclats de Cendrars. Il réunit à l’écran l’un des couples mythiques du cinéma français, Gérard Depardieu et Nathalie Baye, dans Michou d’Auber, l’histoire émouvante et réelle d’un jeune Kabyle recueilli par une famille berrichonne durant la Guerre d’Algérie. Il poursuit sur le thème de l’adoption avec la comédie Victor dans laquelle Pierre Richard est accueilli par une famille aisée. Récemment, il met en scène quatre épisodes de la saison 1 de Marseille, la série de Netflix avec Gérard Depardieu et Benoît Magimel. Thomas Gilou est également l’auteur d’un livre sur l’Île de Pâques, L’Île de Pâques, voyage au bout de Rapa Nui, édité chez Dragoon.