Nasce a Triesteil 12 aprile 1910. Insegna estetica presso le Università di Trieste e di Milano, e, insieme ad Atanasio Soldati, Galliano Mazzon, Gianni Monnet e Bruno Munari, partecipa, nel 1948, alla fondazione del “Movimento per l’arte concreta” (MAC) e, nel 1956 contribuisce alla realizzazione dell’ Associazione per il disegno industriale.

Durante gli anni cinquanta, partecipa attivamente a molte mostre organizzate dal MAC, sia in Italia che all’estero. Nel 1949 espone i suoi dipinti alla Libreria Salto di Milano e, nel 1950, è presente in molte collettive tra le quali, la mostra del 1951 alla Galleria Bompiani di Milano, l'esposizione itinerante in Cile e Argentina nel 1952, e nella grande mostra "Esperimenti di sintesi delle arti" che si svolse nel 1955 nella Galleria del Fiore di Milano.
Nel 1954 ha partecipato ad una sezione italiana del gruppo ESPACE insieme a Munari, Monnini, Reggiani e Veronesi.

Rilevante e di grande valore il suo contributo, nel dopoguerra, allo sviluppo dell’estetica italiana e fondamentali i suoi lavori quali: Discorso tecnico delle arti (1952), Il divenire delle arti (1959), Nuovi riti, nuovi miti(1965).
Un aspetto assolutamente importante, nel lavoro di Dorfles, l’analisi degli aspetti socio-antropologici dei fenomeni culturali ed estetici, utilizzando anche elementi di linguistica. 
Il suo lavoro non si ferma all’analisi ma si occupa anche di monografie, e, tra gli artisti che prende in considerazione, ricordiamo: Bosch, Dürer, Feininger, Wols, Scialoja.
Pubblica, nel 1963, un saggio sul disegno industriale, intitolato Il disegno industriale e la sua estetica. 
Nel 1995 partecipa alla realizzazione di un progetto intitolato “l’Antilibro”, in cui si promuove un’editoria in proprio con connotazioni artistiche e di rottura nei confronti dell’industria editoriale.
Nel 2003 scrive la prefazione del libro Materia Immateriale, biografia di Claudio Costa, a cura di Miriam Cristaldi.
Tra le sue pubblicazioni più importanti: Horror Pleni. La (in)civiltà del rumore (2008), Conformisti(2009) e Fatti e Fattoidi (2009), Arte e comunicazione(2009), Irritazioni - Un'analisi del costume contemporaneo (2010). 
La casa editrice Comunicarte Edizioni, pubblica, nel 2010, una corposa intervista fatta a Dorlfes in cui egli ripercorre una lunga parte della sua vita, dal titolo 99+1 risposte di Gillo Dorfles. 
Numerosi i premi e le onorificenze ricevuti, tra cui : Compasso d'oro dell'associazione per il design industriale (ADI), Medaglia d'oro della Triennale, Premio della critica internazionale di Girona, Franklin J. Matchette Prize for Aesthetics. È Accademico onorario di Brera e Albertina di Torino, membro dell'Accademia del Disegno di Città del Messico, Fellow della World Academy of Art and Science, Dottore honoris causa delPolitecnico di Milano e dell'Università Autonoma di Città del Messico.È stato insignito dell'Ambrogino d'oro dalla città di Milano, del Grifo d'Oro di Genova e del San Giusto d'Oro di Trieste.

La sua carriera è coronata anche dal conferimento di una laurea honoris causa in Architettura nel 2007, presso l’Università di Palermo; una laurea ad honorem in Lingue moderne per la comunicazione e la cooperazione internazionale, nel 2012, presso l’Università di Cagliari e, il 27 marzo 2012 riceve, presso l’auditorium dell'Accademia di Belle Arti di Macerata, il Premio Svoboda per il talento artistico e creativo.