Gordillo va estudiar dret i belles arts a Sevilla, i es va endinsar en la dinàmica artística a partir de la música. L'any 1958 va viatjar a París, on es va posar en contacte amb els arguments artístics més intensos de l'art europeu, sobretot de l'informalisme, i on es va interessar per l'obra de Wols, Jean Dubuffet, Henri Michaux i Jean Fautrier, entre altres. En les primeres obres que va fer es percep la influència del surrealisme i d'Antoni Tàpies, de l'automatisme expressiu i del gestualisme; més endavant va evolucionar, al començament dels anys seixanta, cap a una figuració marcada tant per l'art pop nord-americà com per l'art normatiu geomètric. Durant la dècada dels seixanta va començar a utilitzar imatges fotogràfiques, manllevades de la publicitat i dels mitjans de comunicació de massa, que als anys setanta van incloure també imatges inspirades en el còmic, proves d'impremta i fotocòpies, cosa que va donar lloc a processos en la seva pintura que implicaven la construcció i la destrucció de la imatge. La crisi personal que va patir l'any 1969, i que el va portar a abandonar temporalment la pintura, el va conduir a la pràctica de sèries de dibuixos automàtics, una pràctica que va continuar exercint d'una manera constant a partir de llavors. Al començament de la dècada dels setanta va influir notablement en els artistes que buscaven en la figuració una forma de renovació artística, i que es van integrar en l'anomenada «nova figuració madrilenya.» Des de llavors, la influència de Gordillo s'ha posat de manifest en l'escena espanyola cada vegada amb més força, gràcies a la capacitat de renovació i obertura que ha manifestat la seva obra. Al mateix temps, però, Luis Gordillo també ha establert contactes i coincidències amb alguns dels corrents més destacats de la pintura internacional, d'una manera intuïtiva i sovint precursora; especialment als anys vuitanta, quan el seu treball va abandonar les marques de la figuració i va proposar una visió més abstracta. Tant als anys vuitanta com als noranta, en la seva obra es va poder percebre amb una gran radicalitat la idea de procés, i també els recursos d'acumulació, construcció i superposició, que van convertir el seu treball en una obra oberta. L'any 1981 li van concedir el Premi Nacional d'Arts Plàstiques.