Die „Quelle“ des Gillbachs befindet sich in Auenheim bei Bergheim an den nördlichen Ausläufern des Villerückens auf 93 m ü. NN. Dort wird er vom Kühlwasser des Kraftwerks Niederaußem gespeist. Sein ursprüngliches Quellgebiet, der Bethlehemer Wald, wurde durch die Tagebaue Bergheim und Fortuna-Garsdorf zwischen den 1950er und 1980er Jahren abgebaggert.
Der Gillbach durchfließt das Stadtgebiet von Bergheim im Rhein-Erft-Kreis, die Gemeinde Rommerskirchen, die Städte Grevenbroich und Neuss im Rhein-Kreis Neuss.
Weitere Zuflüsse des Gillbachs sind hauptsächlich Gräben, die Regenwasser von den Feldern ableiten, diese sogenannten Fließe trocknen im Sommer meist aus. Ein ständig wasserführender und der wichtigste Zufluss war der Bohnenbach, er floss durch Oberaußem und Niederaußem und mündete bei Auenheim in den Gillbach. Er führte zunächst Regenwasser von den Ausläufern des Villerückens und später Abwasser zum Gillbach. Aufgrund der Geruchsbelästigungen wurde das Gewässer kanalisiert und unterirdisch geführt, die geklärten Abwässer aus Oberaußem werden heute in den Gillbach eingeleitet.