Sa recherche dans le domaine du son se reflète dans toute son oeuvre par l'utilisation des instruments à la limite de leur capacité sonore. Au Canada, ses maîtres sont Jean PAPINEAU-COUTURE, Claude CHAMPAGNE, Germaine Malépart et Jean VALLERAND et à Paris, Yvonne Loriod, Olivier Messiaen et Andrée Vaurabourg-Honegger. C'est dans cette dernière ville qu'il étudiera, entre autres, les ondes Martenot avec Maurice Martenot et travaillera avec le Groupe de recherches musicales de l'Office de la radiodiffusion-télévision français. Il travaillera également avec Karlheinz Stockhausen, Pierre Boulez et Henri Pousseur à Darmstadt.
Sa magnifique composition Sonorisation du Pavillon du Québec, musique électroacoustique écrite pour l'EXPO 67, lui vaut le PRIX DE MUSIQUE CALIXA-LAVALLÉE de 1968. Il compose Souffles (Champs II) pour la SOCIÉTÉ DE MUSIQUE CONTEMPORAINE DU QUÉBEC (1968) et Fleuves pour l'ORCHESTRE SYMPHONIQUE DE MONTRÉAL (1977). Parmi ses oeuvres principales, mentionnons Kékoba, Oralléluiants, Envoi, Les Vêpres de la Vierge et Avec, « wampum symphonique ». En 1973, il reçoit la médaille du CONSEIL CANADIEN DE LA MUSIQUE qui, en 1977, le proclame « compositeur de l'année ». En 1991, il reçoit le prix Denise-Pelletier et est nommé officier de l'Ordre national du Québec. Il a enseigné au CONSERVATOIRE DE MUSIQUE DU QUÉBEC à Montréal jusqu'en 1997. Il est président de la Société de musique contemporaine du Québec (1982-1988) et en est aussi le directeur artistique (1986-1988).
La musique de Gilles Tremblay a été interprétée par nombre d'ensembles de grande renommée dont : 2e2m, Domaine Musical, l'Evergreen Club Gamelan Orchestra, l'Orchestre symphonique de Montréal, l'Orchestre du Centre national des Arts, le New Music Concerts Ensemble, le Nouvel Orchestre Philharmonique de Radio France, l'Orchestre National de France, l'ORCHESTRE SYMPHONIQUE DE QUÉBEC, l'Ensemble de la SMCQ et la Vancouver New Music Society. Parmi ses œuvres récentes citons l'œuvre environnementale, L'appel de Kondiaronk : symphonie portuaire (2000), Croissant pour quatuor à cordes (2001) et En partage, concerto pour alto (2002).