En couple avec Mélanie Doutey de 2002 à 2013, Gilles Lellouche a eu une fille prénommée Ava avec l'actrice. Née le 5 septembre 2009, la jeune fille a fêté son 15ème anniversaire en 2024 et est donc en plein dans la période de l'adolescence. Une chose pas facile à gérer pour le réalisateur du film L'Amour Ouf comme il le confiait récemment auprès des journalistes de Libération.
Papa de Jules, né le 13 novembre 2022 de ses amours avec Alizée Guinochet (sa compagne depuis 2015), il indiquait ainsi être très inquiet "des réseaux sociaux et des risques de harcèlement".
Très proche de ses enfants, Gilles Lellouche expliquait également à quel point son rôle de papa était important pour lui, lui qui avait perdu son père quelques mois seulement après la naissance de sa fille en 2009.
Invité dans l'émission Les Rencontres du Papotin, il confiait : "J'aimais beaucoup beaucoup mon papa. Par contre, pas toujours, mais parfois, la vie est bien faite (...) J'ai eu la chance d'avoir ma fille juste avant la mort de mon papa. Elle est née six mois avant que mon papa ne parte au ciel, et que mon père ait pu voir ma fille a été une grande chance pour moi".
L'acteur des Petits Mouchoirs ajoutait : "Mon père a pu voir ma fille, ce qui a été une grande chance pour moi. [...] Peut-être que ma peine a été un peu plus équilibrée. [...] C'est l'équilibre de la vie".
Toujours très nostalgique quand il pense à son papa, le frère de Philippe Lellouche confiait qu'il n'y avait pas "une journée" où il ne pense pas à son père. "J'y pense très souvent et je te remercie de poser la question parce que le fait d'y répondre, ça me fait encore penser à lui" révélait le réalisateur du film Le Grand Bain.