Actrice écossaise, elle a gagné en notoriété après avoir remporté un prix aux National Television Awards grâce à sa prestation d'Amelia Pond dans la série "Doctor Who" de la BBC. Elle incarne Nebula dans la sage "Les Gardiens de la Galaxie". Sa filmographie comprend "We Love Happy Endings!" sorti en 2013 puis "Jumanji: Bienvenue dans la Jungle", film sorti en 2017.
Avant de se lancer dans une carrière d'actrice, elle travaillait en tant que mannequin, faisant ses débuts à la Fashion Week de Londres en 2007.
Elle a décroché un rôle dans l'émission d'improvisation humoristique "The Kevin Bishop Show" de 2007 à 2009.
Ses parents, Raymond John Gillan et Marie Gillan, l'ont élevé à Inverness, en Écosse. Elle s'est mariée au comédien Nick Kocher en mai 2022.
Avant son rôle du compagnon du Docteur, elle a fait une petite apparence dans un épisode de la série dans laquelle David Tennant y incarnait le Docteur.