Gilleleje var oprindelig et lille fiskerleje beliggende nær Sjællands nordligste punkt. Byens kirke stammer fra 1530’erne. Anlæggelsen af en havn i 1872 blev af stor betydning for byens udvikling, og med flere udvidelser af havnen i 1900-tallet opnåede man et stabilt fiskeri og en økonomisk vækst. En anden væsentlig faktor for byens udvikling blev anlæggelsen af den private Gribskovbane i 1880, i 1896 forlænget til Gilleleje, og Helsingør-Hornbæk-Gilleleje-banen i 1916. Gilleleje blev et populært udflugtssted og en badeby med et stigende antal sommergæster.
I perioden 1921 til 1970 steg indbyggertallet fra 1.434 til 2.943. I 1940 var de to største erhvervsgrupper hhv. landbrug samt industri og håndværk, hvor 266 indbyggere var beskæftiget med landbrug og 647 med industri og håndværk.
Under 2. Verdenskrig blev byen i oktober 1943 centrum for en omfattende redning af jødiske flygtninge over Øresund til Sverige.
Som et udslag af byens og områdets betydning for turister var der i begyndelsen af 1960’erne om sommeren færgeforbindelse til de svenske byer Höganäs og Mölle.
Gilleleje var hovedbyen i Søborg-Gilleleje Kommune indtil Kommunalreformen i 1970, hvor byen blev den ene af hovedbyerne i Græsted-Gilleleje Kommune med hjemsted for kommunens rådhus. Med Strukturreformen i 2007 blev byen en del af den nyetablerede Gribskov Kommune.
I 1981 var indbyggertallet vokset til 3.976 personer, og i 2007 var tallet steget til 6.350 indbyggere.
