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Gilles Cohen fait ses études au lycée Voltaire à Paris où il découvre le théâtre. Une fois son baccalauréat obtenu, il intègre la classe libre du cours Florent sous la direction de Francis Huster[2]. Il commence sa carrière au théâtre où il est acteur et metteur en scène, avant de faire ses débuts au cinéma en 1985.
Il a été marié avec la comédienne Emmanuelle Devos avec qui il a eu deux fils, Raphaël et Samuel Cohen.