Leden bytte hand vid flera tillfällen innan Harlequins flyga halva Nick Evans missade en sista minuten drop-goal för att vinna spelet för värdarna.
En folkmassa på mer än 70.000 njöt av en fest av poäng och fyra försök före halvtid som Gloucester ledde 17-15.
Quins Ross Chisholm och Gloucesters Harry Trinder båda gjorde mål två gånger, medan Rob Cook tog valet av försök.
Båda sidor går bort med en bonus punkt men inte heller kunde få avgörande poäng på en dag som såg England kapten Chris Robshaw återvända till Twickenham för första gången sedan hans lags besvikelse VM-kampanj kom till ett för tidigt slut.
I en sidokollision till huvudhändelsen, England ytter Jonny Kan halta av för Gloucester i andra halvan med en uppenbar knäskada.
Jeremy Thrush gjorde öppningen försök för besökarna efter sju minuter innan Gloucester öppen sida flanker Matt Kvesic, som producerade en man-of-the-match prestanda, spelade en central roll i sin sidas andra försök, gjorde av fluga-halv James Hook.
Wales International såg sedan sin landsman Jamie Roberts inspirera en Harlequin comeback på sin första Premiership start för klubben.
Marland Yarde och Danny Care korsade i första halvan för Conor O'Sheas män att sätta dem tillbaka i strid.
Trinder förlängde Gloucesters ledning efter pausen med sitt första försök innan fyra actionfyllda andra halvan minuter producerade tre försök.
Två gick Harlequins väg, genom Nick Påsk och Chisholm, och sedan Trinder sprang i sin andra, men drog en hamstring i processen.
Greig Laidlaws straff och Cooks bländande körning genom Harlequins försvar verkade göra segern säker för Gloucester.
Men Evans sparkade hemsidan till inom en omvänd försök och ersättare Chisholm tävlade över igen för att jämna upp det igen.
Evans försökte vinna sitt sista mål, men hans spark gled åt höger.
Harlequins: Brown; Yarde, Lowe, Roberts, Visser; Evans, Care (capt); Marler, Ward, Collier, Horwill, Matthews, Robshaw, Clifford, påsk.
Ersättningar: Buchanan, Lambert, Sinckler, Merrick, Wallace, Dickson, Botica, Chisholm.
Gloucester: Cook; Sharples, Meakes, Tolvträd, Maj; Hook, Laidlaw (kapt); McAllister, Hibbard, Afoa, Thrush, Galarza, Kalamafoni, Kvesic, Morgan.
Ersättningar: Dawidiuk, Murphy, Doran-Jones, Savage, Rowan, Heinz, Burns, Trinder.
För de senaste rugby facket nyheter följa @bbcrugbyunion på Twitter.
Harlequins och Gloucester delade 10 försök i en episk 39-39 Premiership draw på Twickenham.