Il devient externe (1958) puis interne des hôpitaux de Paris (1961, 10e), chef de clinique à la Faculté et médecin assistant des hôpitaux de Paris (Cochin et Bichat, 1967-1969), puis médecin chef des hôpitaux (Périgueux, 1970-1999).
Il est titulaire de trois spécialités médicales: médecine interne, maladies de l'appareil digestif et endoscopie, néphrologie et hémodialyse rénale.
En 1985, il devient docteur en géologie du Quaternaire, paléo-anthropologie et préhistoire (Paris VI Pierre-et-Marie-Curie, sous la direction de A. Leroi-Gourhan puis de H. de Lumley) et chercheur rattaché au département de Préhistoire du Muséum national d'histoire naturelle de Paris (USM 103 - UMR 7194 du CNRS, Histoire naturelle de l’Homme préhistorique).
Il a été élu président de la Société historique et archéologique du Périgord (1981-1991), à la suite de l'archéologue Jean Secret dont il fut l'élève, et en est depuis le président d'honneur.
Spéléologue, il a exploré de nombreuses grottes de Dordogne, dont les célèbres grottes de Rouffignac et de Villars.
Il est le neveu et le biographe du cinéaste Louis Delluc (1890-1924).
Gilles et sa femme Brigitte Delluc sont des préhistoriens, spécialistes de la grotte de Lascaux, de l'art paléolithique en Dordogne, de la vie des "Cro-Magnons" (nutrition, sexualité et pathologie) et de l'histoire de la Préhistoire en Dordogne.
Auteurs de plus de 400 publications dans divers ouvrages et revues, ils donnent aussi de nombreuses conférences et sont intervenus dans de nombreux colloques ou missions scientifiques en France et à l'étranger.