Gilberto Gil est né le 26 juin 1942 à Salvador do Bahia (Brésil) d'un père médecin et d'une mère institutrice. Il vit les premières années de sa vie à Ituaçu, une petite ville située à l'intérieur de la « Bahia ». Vers l'âge de neuf ans sa famille déménage à Salvador et il commence à apprendre l'accordéon. Son premier groupe de jeunesse s'appelle Os Desafinados, il a alors 18 ans. Vers la fin des années cinquante, en plein succès des débuts de la bossa nova (Nouvelle Vague en portugais), il se met à jouer de la guitare et à chanter. Tom Jobim, compositeur incontournable de la musique brésilienne (auteur notamment de « The girl from Ipanema » et de « Desafinado ») et chef de file de ce nouveau courant aura sur lui une importante influence.
En 1962, il enregistre son premier single (« Povo petroleiro » et « Coça Coça, Lacerdinha ») et fait la rencontre de Caetano Veloso avec qui il travaille à partir de 1964, aux côtés de Maria Bethânia et Gal Costa. Mais Gilberto Gil est alors à la fois musicien et étudiant en administration d'entreprises à Salvador, il décide de partir pour Sao Paulo où il trouve un travail au sein de l'entreprise Gessy-Lever. Il mène alors une double vie de travailleur-musicien, devenant un chanteur de plus en plus populaire. Il fait la rencontre de Chico Buarque, entre autres, avant de voir sa chanson « Louvaçao » chantée par la chanteuse Elis Regina.
Cet enregistrement lui permettra de laisser de côté son travail et de signer un contrat chez Phillips qui produira en 1967 son premier album: Louvaçao. Alors que son succès est au beau fixe et qu'il enchaîne les concerts et les passages à la télévision, il s'ouvre à l'influence des musiques anglo-saxonnes avant de signer en 1968 son deuxième album, chez Mercury : Gilberto Gil. Ce disque est un des points de départ, dans sa version la plus rock, du mouvement tropicaliste. Gilberto Gil y mêle samba, bossa nova, rythmes traditionnels brésiliens et pop occidentale. Sans doute pour la première fois, l'esprit du carnaval brésilien rencontre celui Rolling Stones. Gilberto Gil possède une certaine «rock attitude», surtout dans sa manière de chanter, sans pour autant renier ses origines. Mais le régime brésilien, qui est alors une dictature militaire, ne voit pas d'un bon oeil cette musique révolutionnaire. Il fait arrêter Gilberto Gil ainsi que Caetano Veloso en les accusant d'exercer une mauvaise influence sur la jeunesse.
Exilé en Angleterre, il trouve l'opportunité de collaborer avec certaines stars occidentales comme Pink Floyd ou Yes. A son retour au pays, en 1972, Gilberto Gil enregistre l'album Expresso 2222, qui comprend deux titres devenus mythiques : « Back in Bahia » et « Oriente ». Son succès continue, il parcours le monde entier pour donner des concerts, depuis sa participation au Midem à Cannes en 1973 à sa tournée mondiale aux côtés de Caetano Veloso, Gal Costa et Maria Bethânia, en passant par des concerts plus jazz aux Etats-Unis, ou par le festival de Montreux où il enregistre un double album live. En 1975, il publie un album en collaboration avec Jorge Ben : Gil Jorge ogum xango. A partir de la fin des années soixante-dix, Gilberto Gil s'intéresse au reggae: il travaille notamment avec Jimmy Cliff puis avec les Wailers. Son amour du reggae aboutira en en 2002 à la sortie de l'album Kaya N'Gan Daya, en hommage à Bob Marley. La discographie de Gilberto Gil s'étend sur plus de quarante ans et comporte officiellement près de quarante albums.
Depuis 2003, Gilberto Gil est Ministre de la Culture du gouvernement du Président Lula Da Silva. S'il est militant du parti écologiste, il n'a jamais cessé d'être un chanteur engagé, sa nomination, après son soutien à Lula et au parti de Travailleurs durant la campagne présidentielle a cependant été une surprise, faisant aujourd'hui de lui un symbole international : celui de l'association des hommes politiques et des artistes. Le 30 juillet 2008, Gilberto Gil démissionne de ses fonctions ministérielles et retourne à sa carrière artistique.
Nouvel album de l'ex-ministre de la culture brésilien, Fé Na Festa, sorti en juillet 2010, se consacre au baiao (ou forro), musique du Nordeste du pays provenant d'un métissage aux accents indiens, asiatiques et africains. A cette occasion, Gilberto Gil effectue une tournée estivale en France passant par le festival de Marciac. Gilberto Gil parcours le monde sous l'oeil de la caméra du Français Pierre-Yves Borgeaud, qui le suit en Nouvelle-Guinée, Afrique du Sud, et Brésil. Ce voyage fait de musique et de rencontres fait l'objet du documentaire Viramundo : Un Voyage musical avec Gilberto Gil qui sort en salles le 8 mai 2013. Le film est accompagné de l'album The South African Meeting of Viramundo où Gilberto Gil joue avec le guitariste et militant anti apartheid sud-africain Vusi Mahlasela.
Désormais âgé de soixante-douze ans, Gilberto Gil rend hommage à João Gilberto en 2014. Sur Gilbertos Samba, il donne son interprétation de la samba avec le concours de Danilo Caymmi et Dori Caymmi, fils de Dorival Caymmi, grand précurseur de la samba moderne, de la bossa nova, et modèle de Gilberto Gil.
