Gillan als Amy Pond, met op de voorgrond Matt Smith als de elfde Doctor
Gillan werd geboren en groeide op in de Schotse plaats Inverness. Haar vader is manager van een buurthuis. Toen Gillan zestien jaar oud was, besloot ze te gaan acteren. Ze volgde een acteeropleiding aan het Edinburgh's Telford College en ging later naar de Italia Conti Academy of Theatre Arts in Londen.
Ze werkte in 2007 en 2008 als model voor onder anderen Allegra Hicks en Nicola Roberts. Haar acteercarrière begon met gastrollen in enkele televisieseries en in The Kevin Bishop Show had ze haar eerste langdurige rol. Daarnaast speelde ze de hoofdrol in een horrorproject van de BBC.
Begin 2009 werd Gillan gekozen voor de rol van Amy Pond, de eerste kompaan van de elfde Doctor in de Britse sciencefictionserie Doctor Who. Pond werd als kind gespeeld door haar nicht, Caitlin Blackwood. Gillan was voor het eerst te zien als de volwassen Pond in "The Eleventh Hour" (uitgezonden op 3 april 2010). Ze speelde eenmaal eerder in Doctor Who, als Soothsayer in de aflevering "The Fires of Pompeii".
In 2013 keerde ze even terug naar Doctor Who, waar ze in de kerstaflevering The Time of The Doctor opnieuw Amy Pond speelde. Dit was Matt Smiths laatste aflevering als The Doctor en Gillan zat erin als eerbetoon aan Smiths tijd in het programma.