Daley dök två gånger från 10m och en gång från 3m, medan Gallantree avslutade de omvända rutinerna.
De fick 434,65, med Ukraina (426.45) vinnande silver och Kina (425.40) brons i Kazan, Ryssland.
Britannien vann brons på tisdag i den synkroniserade 3m språngbrädan.
Det är första gången Storbritannien har krävt två medaljer på ett VM och Gallantree blir den första brittiska kvinnan som vinner en medalj på världsnivå.
"Vi hade inga förväntningar inför tävlingen som vi vet att Kina är så stark och det kändes surrealistiskt att konkurrera och, nästa sak, vi är på toppen av podiet," sade OS bronsmedaljören Daley.
"Det är en galen känsla och tack till Becky för att han dök så bra."
Gallantree sade att hon inte kunde tro att hon och Daley hade vunnit och sade: "Vi kom in för lite kul och tränade inför våra individuella händelser, men det blev lite mer än så.
"Jag trodde aldrig att jag skulle bli världsmästare och det är fantastiskt att säga nu att jag är det."
Tidigare på onsdagen kvalade Olympian Tonia Couch till torsdagens individuella 10m-plattformsfinal och på så sätt säkrade Team GB en plats i evenemanget vid Rio Olympics.
Det brittiska paret var i tredje efter den första omgången av en händelse som presenterade Kinas flera världsmästare Ruolin Chen och USA: s London 2012 10m mästare David Boudia.
Två fantastiska rutiner av Daley och solida föreställningar från Gallantree såg dem flytta bort från sina motståndare i de sista rundorna.
Daley använde den icke-olympiska Team händelsen som en uppvärmning innan hans individuella 10m plattform kampanj börjar på lördag.
Gallantree, som kom 10:e tillsammans med Alicia Blagg i synkroniserad 3m språngbräda final på lördag, kommer att tävla i den individuella 3m händelsen på fredag.
Brittiska dykare har gjort anspråk på sin andra medalj i World Aquatics Championships med Tom Daley och Rebecca Gallantree kombinera för att vinna guld i laget händelsen.