Gordillo cursó estudios de derecho y bellas artes en Sevilla, introduciéndose en una dinámica artística a partir de la música. En 1958 viajó a París, donde entraría en contacto con los argumentos artísticos más intensos del arte europeo, en especial del informalismo, interesándose por la obra de Wols, Dubuffet, Michaux y Fautrier, entre otros. Sus primeras obras dejan sentir la influencia del surrealismo y de Tàpies, del automatismo expresivo y del gestualismo, para evolucionar posteriormente, a principios de los años sesenta, hacia una figuración marcada tanto por el arte pop norteamericano como por el arte normativo geométrico. Durante la década de los sesenta empezó a utilizar imágenes fotográficas, recuperadas de la publicidad y de los mass-media , que en los años setenta incluirían también imágenes inspiradas en el cómic, pruebas de imprenta y fotocopias, dando lugar a procesos en su pintura que implican la construcción y destrucción de la imagen. La crisis personal que atravesó en 1969, y que le llevó a abandonar temporalmente la pintura, le condujo a la práctica de series de dibujos automáticos, práctica que continuó ejercitando de manera constante a partir de entonces. A principios de la década de los setenta ejerció una poderosa influencia en los artistas que buscaban en la figuración una forma de renovación artística, y que fueron integrados en la denominada «nueva figuración madrileña.» Desde entonces, su influencia se ha dejado sentir en la escena española cada vez con más fuerza, debido a la capacidad de renovación y apertura que su obra ha ido manifestando. Pero, a la vez, Luis Gordillo también ha ido estableciendo contactos y coincidencias con algunas de las más destacadas corrientes de la pintura internacional, de manera intuitiva y a menudo precursora; especialmente en los años ochenta, cuando su trabajo abandonó las marcas de la figuración y propuso una visión más abstracta. Tanto en los años ochenta como en los noventa, en su obra apareció con gran radicalidad la idea de proceso, así como los recursos de acumulación, construcción y superposición, convirtiendo su trabajo en una obra abierta. En 1981 se le concedió el Premio Nacional de Artes Plásticas.