Родился 15 июня 1921 г. в пос. Беловежа (Польша). Впоследствии семья переехала на родину отца, горского еврея, в кавказский аул Хусары (ныне г. Кусары, Азербайджан).
В 1939 г. с отличием окончил медрабфак в г. Буйнакске (Дагестан). Затем поступил в Крымский медицинский институт в Симферополе (ныне Медицинская академия им. С. И. Георгиевского в составе Крымского федерального университета им. В. И. Вернадского). После начала Великой Отечественной войны вуз вместе со студентами был эвакуирован в Казахстан, где в 1944 г. Гавриил Илизаров завершил обучение и защитил диплом.
Доктор медицинских наук. В 1968 г. в Пермском медицинском институте (ныне Пермский государственный медицинский университет им. академика Е. А. Вагнера) защитил кандидатскую диссертацию по теме "Компрессионный остеосинтез аппаратом автора". В 1969 г. без защиты ему была присвоена докторская ученая степень.
Профессор по специальности "травматология и ортопедия" (1976).
В 1987 г. Гавриил Илизаров был избран членом-корреспондентом Академии наук СССР (ныне Российская академия наук) по Отделению физиологии. В 1991 г. стал академиком.
После окончания вуза по распределению попал в Курганскую область, где работал врачом в районных больницах, в том числе был бортхирургом санитарной авиации по оказанию экстренной хирургической помощи населению. С 1947 г. заведовал Косулинским райздравотделом (Косулинский район существовал в Курганской области до 1956 г., его центром было с. Косулино, затем с. Долговка). В 1950 г. был назначен травматологом-ортопедом Курганской областной больницы.
В годы работы сельским врачом Гавриил Илизаров заинтересовался проблемой регенерации костной и мягких тканей при лечении переломов конечностей. В 1951 г. он разработал аппарат внешней фиксации для лечения переломов и деформаций костей, а также теорию остеогенеза, которая легла в основу компрессионно-дистракционного остеосинтеза. В декабре того же года Елизаров заявил о разработанном им аппарате для чрескостной фиксации на заседании Курганского областного научного общества хирургов. В августе 1954 г. он получил авторское свидетельство на свое изобретение. В сентябре 1953 г. Министерство здравоохранения СССР выдало разрешение на применение его аппарата (в 1969 г. комиссия по изобретениям лечебной аппаратуры при Минздраве присвоила аппарату имя Илизарова).
С 1955 г. был заведующим ортопедо-травматологическим отделением Курганского областного госпиталя инвалидов Великой Отечественной войны.
В декабре 1965 г. с целью обоснования и внедрения в клиническую практику предложенного Гавриилом Илизаровым метода чрескостного остеосинтеза в Кургане на базе 2-й горбольницы была организована проблемная лаборатория Свердловского научно-исследовательского института травматологии и ортопедии (СНИИТО, ныне Уральский институт травматологии и ортопедии им. В. Д. Чаклина), и он был назначен ее руководителем. В 1968 г. Илизаров обобщил клинический опыт применения своего метода в кандидатской диссертации. Предложенный им метод представляет собой целую систему оперативных бескровных методик лечения переломов конечностей любой локализации, укорочений и деформаций конечностей, костных дефектов без трансплантации, ложных суставов, патологии крупных суставов, кисти и стопы.
В 1969 г. лаборатория Илизарова была преобразована в курганский филиал Ленинградского научно-исследовательского института травматологии и ортопедии (ЛНИИТО, ныне Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. Р. Р. Вредена в Санкт-Петербурге). В конце 1971 г. филиал ЛНИИТО преобразовали в самостоятельный Курганский научно-исследовательский институт экспериментальной и клинической ортопедии и травматологии (КНИИЭКОТ). В 1978 г. на базе КНИИЭКОТ была создана кафедра усовершенствования врачей для целенаправленной подготовки специалистов по освоению методов лечения по Илизарову. В сентябре 1987 г. институт преобразовали в Государственный научный центр "Восстановительная травматология и ортопедия" с десятью филиалами на территории СССР. Гавриил Илизаров возглавлял институт, затем научный центр до конца своей жизни.
В 1971 г. Илизаров был избран председателем Курганского областного научного общества травматологов-ортопедов, в 1975 г. - членом правления президиума Всесоюзного общества травматологов-ортопедов, в 1978 г. - членом центрального совета Всесоюзного общества изобретателей СССР.
Входил в состав научного совета Проблемной комиссии по патофизиологической диагностике и лечению ортопедических заболеваний АН СССР. Являлся членом редакционного совета журнала "Ортопедия, травматология и протезирование".
Избирался депутатом Косулинского райсовета (1947) и совета депутатов Курганской области (1971, 1973), депутатом Верховного совета РСФСР (1980), народным депутатом СССР (1989). С 1971 г. был членом КПСС.
Являлся членом Фонда культуры СССР, Союза советских обществ дружбы и культурной связи с зарубежными странами, членом правления Детского фонда им. В. И. Ленина (ныне Российский детский фонд).
24 июля 1992 г. Гавриил Илизаров скоропостижно скончался от сердечной недостаточности в Кургане, похоронен на Рябковском кладбище города.
Академик Илизаров был специалистом в области травматологии, клинической физиологии опорно-двигательного аппарата и ортопедии. Автор более 600 научных работ, в том числе трех монографий, порядка 200 изобретений. Получил 13 зарубежных патентов по проблемам клинической и экспериментальной ортопедии и травматологии, биомеханики. В числе знаменитых пациентов врача Илизарова были олимпийский чемпион по прыжкам в высоту Валерий Брумель, итальянский путешественник и писатель Карло Маури, композитор Дмитрий Шостакович и др.
Под руководством Илизарова в СССР впервые в мировой медицинской практике были разработаны принципиально новые методы лечения травм и заболеваний опорно-двигательного аппарата. Аппарат и методы лечения по Илизарову получили широкое распространение: его метод используют не только в России, но и за рубежом. Разработанный им способ лечения дал развитие ряду научно-практических направлений в нейрохирургии, сосудистой и пластической хирургии, стоматологии и других областях медицины.
Герой Социалистического труда (1981). Был награжден орденом Трудового Красного Знамени (1966), тремя орденами Ленина (1971, 1976, 1981).
Лауреат Ленинской премии (1978, "за цикл работ по разработке нового метода лечения больных с повреждениями и заболеваниями опорно-двигательного аппарата, внедрение этого метода в широкую практику здравоохранения и создание нового научно-практического направления в травматологии и ортопедии").
Был удостоен многих зарубежных наград. Среди них орден Почетного командора (Италия, 1984), орден Независимости I степени (Иордания, 1985), орден "Полярная звезда" (Монголия, 1985), международная премия "Буккери-ла-Ферла" (1986), премия Роберта Дениза (1987) и др.
Имел почетные звания "Заслуженный врач РСФСР" (1965), "Заслуженный изобретатель РСФСР" (1975), "Заслуженный изобретатель СССР" (1985).
Почетный гражданин Кургана (1971) и Курганской области (2003, присвоено посмертно). Также был избран почетным гражданином многих зарубежных городов: Милана (Италия, 1981), Флоренции (Италия, 1990), Нанси (Франция, 1990) и др.
Был почетным членом многих зарубежных научных обществ, в том числе Кубинской академии наук (1981), Французского общества хирургов-ортопедов-травматологов (1986), Общества травматологов-ортопедов Мексики (1987), Общества травматологов-ортопедов Чехословакии (1988), Общества травматологов-ортопедов Италии (1988) и др.