Après des études en musique, physique et histoire de l'art, Gilles Cantagrel s'est d'abord orienté vers la presse et la communication, notamment dans les revues Harmonie et Diapason. Producteur d'émissions sur France Musique, il a été appelé à diriger les programmes de cette chaîne de 1984 à 1987. Conseiller artistique à Radio France, vice-président de la commission musicale de l'Union Européenne de Radiodiffusion et télévision, il a également été maître de conférences à la Sorbonne.

Présentateur de concerts à la télévision, producteur de nombreuses émissions radiophoniques en France et à l'étranger, il est l'auteur d'une série de films sur l'histoire de l'orgue en Europe. Enseignant, conférencier, animateur, il intervient au Conservatoire National Supérieur de Musique de Paris et en différents conservatoires et universités en France et au Québec. Il est fréquemment appelé à participer à des jurys de concours internationaux en Europe et en Amérique du Nord. En 1985, il a participé à la création du salon de la musique classique Musicora.

En 2001, il a été nommé par le ministre de la Culture membre du Haut Comité des célébrations nationales. Ancien président de l’Association des Grandes Orgues de Chartres, il est aussi administrateur de diverses institutions, dont le Centre de Musique Baroque de Versailles, et membre du Conseil de Surveillance de la Fondation Bach de Leipzig. La Neue Bachgesellschaft de Leipzig lui a confié la responsabilité de la réalisation du premier Europa Bach Festival (Paris, automne 2005).

Gilles Cantagrel a publié de nombreux articles de revues, dictionnaires et encyclopédies (Larousse de la musique, Encyclopaedia Universalis...) et plusieurs ouvrages, dont La Discothèque idéale (1969), le Livre d'or de l'orgue français (1976), le Guide pratique du discophile (1978), la première édition du Dictionnaire des Disques (1981), et dirigé la rédaction du Guide de la musique d'orgue, ouvrage couronné par l'Académie des Beaux-Arts (1991) et du Guide de la mélodie et du lied (1994). Paru en 1982, son Bach en son temps a fait l’objet d’une nouvelle édition, revue et augmentée (1997). Son important essai, Le moulin et la rivière, air et variations sur J. S. Bach (1998), a été couronné par l’Académie Charles Cros et l’Académie des Beaux-Arts. Il est suivi par une évocation du temps, de la vie et de la création de Bach en images, Passion Bach, l’album d’une vie (2000) et Georg Philipp Telemann ou le célèbre inconnu, premier ouvrage en langue française sur ce compositeur (2003), ainsi que par La Rencontre de Lübeck, Bach et Buxtehude et Les plus beaux manuscrits de la musique classique (2003). En 2005 ont paru deux ouvrages consacrés à Mozart, Les plus beaux manuscrits de Mozart, et Mozart, Don Giovanni, le manuscrit (en coédition) et en 2006 une monographie consacrée à Dietrich Buxtehude et la musique en Allemagne du Nord dans la seconde moitié du XVIIe siècle. Ont suivi De Schütz à Bach (2008), Les Cantates de J. S. Bach (2010), et en 2011, J. S. Bach, Passions, Messes et Motets, ainsi que Bach, la Chair et l'Esprit.

Gilles Cantagrel est chevalier de la Légion d’Honneur, commandeur des Arts et Lettres, chevalier de l'Ordre du Mérite de la République Fédérale d’Allemagne, titulaire de la distinction d'or de la Province de Vienne (Autriche) et officier du mérite culturel de la principauté de Monaco.