סרטו העלילתי הראשון באורך מלא הוא בית. הסרט צולם ב-1980 והוא חלקו הראשון של טרילוגיה שכללה בנוסף את הסרטים בית בירושלים (1998) ו-חדשות מהבית (2006). הסרט עוסק בבית בירושלים המערבית, שהיה שייך לרופא פלסטיני ממשפחת דג'אני עד 1948 והוכרז עם קום מדינת ישראל כנכסי נפקדים. בסרט מפגיש גיתאי את הצופים עם דיירי הבית לאורך השנים והופך את הבית למוקד הקונפליקט החברתי-פוליטי. הוא פותח מרחב קולנועי דמוקרטי סביב אותו בית בו מתקיים פיצול של נקודות מבט על הסיטואציה ועל ההיסטוריה שהובילה אליה (). הסרט הוקרן בטלוויזיה הישראלית, אך נדחה וצונזר בעקבות התכנים האנטישמיים שהציג. לעומת זאת, הסרט זכה להצלחה בינלאומית. ז'אן מישל פרודון כתב בספרו "גיתאי 3X2X": .
גיתאי המשיך בבימוי טרילוגיית ואדי, המתמקדת בוואדי רושמיה שבחיפה, מחצבת אבן לשעבר, מובלעת שבה חיים בדו-קיום שברירי עולים יהודים ממזרח אירופה ששרדו את מחנות השואה וערבים שגורשו מבתיהם במלחמות ישראל השונות. בשנת 1981 צילם את חלקה הראשון של הטרילוגיה ואדי, בה הוא מספר את סיפורם האינטימי של יוסוף ואישא, איסו וסאלו, מרים ואיסכנדר, משפחה ערבית, משפחה יהודית וזוג מעורב, שחיים יחד במקום מבודד זה. בחירתו של גיתאי להתמקד במקום מסוים, להכיר אותו ואת מערכות היחסים השונות שמרכיבות את חיי החברה בו, הופכים את העמק לא רק למקום של סיפור מסוים אלא גם לסמל לדו-קיום. שני חלקיה הנוספים של הטרילוגיה צולמו שנים מאוחר יותר: ואדי 1991-1981 צולם ב-1991, עשר שנים לאחר הסרט הראשון, וואדי גרנד קניון ב-2001.
ב-1982 ביים את הסרט התיעודי יומן שדה, שלימים הפך להיות החלק הראשון בטרילוגיה העוסקת באופן מובהק במציאות הפוליטית בישראל. הסרט הוא יומן המצולם בשטחים הכבושים לפני מלחמת לבנון הראשונה (1982) ובמהלכה, שם גיתאי שם מצלם מיום ליום את מה שהוא רואה, את אי הנוחות של החיילים הישראלים מול המצלמה, את סירובם להצטלם, את מצב הרוח של המתנחלים ואת ביטויי המחאה הפלסטינית. המבקר הצרפתי כתב עליו: .
חלקה השני של הטרילוגיה הוא הסרט התיעודי תנו סיכוי לשלום שצולם ב-1994. הסרט מורכב מארבעה פרקים ועוקב אחרי המהלכים לעיצוב הסכמי אוסלו. הוא כולל שיחות עם יצחק רבין, שמעון פרס והנציגים הפלסטינים למשא ומתן. פרקו הראשון, 'בארצות התפוז', הוא מסע ממטעי ההדרים של קיבוץ יד מרדכי למטעי התפוזים ברצועת עזה, בו מתעד גיתאי את התושבים והעובדים באזור שעתיד להיות גבולם המשותף על פי ההסכם ההולך ומתגבש. בפרקו השני של הסרט, 'מהלכים פוליטיים', מתעד גיתאי את הזכרונות, הפחדים והתקוות של המנהיגים המעורבים בהסכמי אוסלו, ביניהם יצחק רבין, ביל קלינטון, יאסר ערפאת, שמעון פרס, יצחק שמיר ונביל שעת. הסרט ממשיך עם הפרק השלישי 'שיח סופרים' בו משוחח גיתאי עם הסופרים עמוס עוז, אמיל חביבי, א.ב יהושע ונתן זך על המצב במזרח התיכון ועל האוטופיה שביצירתם. חלקו הרביעי והאחרון של תנו סיכוי לשלום הוא 'תיאטרון חיים', בו השחקן ג'וליאנו מר ואמו ארנה, פעילת שלום, מפעילים חוג תיאטרון קטן לילדים במחנה הפליטים בג'נין. חלקה השלישי של הטרילוגיה הוא זירת רצח (1996) שצולם בעקבות רצח ראש הממשלה יצחק רבין ב-4 בנובמבר 1995.
בשנות ה-80 עזב גיתאי לצרפת וחי שם במשך כעשר שנים. באותה תקופה עבד על מספר טרילוגיות. הראשונה, בוחנת את השפעות הקפיטליזם העולמי וכוללת את הסרטים אננס (1983), בנגקוק-בחריין (עבודה למכירה) (1984) ו-תפוז (1998). דייוויד לוסטד כתב על אננס:
הטרילוגיה השנייה עוסקת בימין הקיצוני האירופאי וכוללת את הסרטים בעמק הוופר (1993), המלכה מרי (1993) ו-בשם הדוצ'ה (1994). בעמק הוופר עוקב אחר רצח שהתרחש ב-1992 בוופרטל, גרמניה, כאשר שני גלוחי ראש, נאו-נאצים, רצחו גבר שטען שהוא יהודי. בסרט מראיין גיתאי עדים, תושבים ושחקנים במשפט.
כתב אורי קליין.
טרילוגיה נוספת היא טרילוגיית גלות, הכוללת את הסרטים אסתר (1986), ברלין-ירושלים (1989) ו-הולדת הגולם (1991). אסתר מספר את סיפורה של מגילת אסתר ועשוי כסדרה של "תמונות חיות" תיאטרליות, המאמצות קודים אסתטיים של המיניאטורה הפרסית. ברלין-ירושלים מספר את סיפוריהן של שתי נשים משני הקצוות של התרבות היהודית-ציונית בגרמניה בשנות ה-30. אלזה לסקר-שילר, משוררת אקספרסיוניסטית גרמניה, ומניה שוחט, מראשונות המהפכנים הציונים, שנפגשות בירושלים, עיר מיתית, אוטופית והיסטורית, וסיפורן נרקם ליצירת דימוי של התפוגגות האוטופיה. בסרט הסרט ייצג את ישראל בפסטיבל הסרטים בוונציה, בהשתתפות השחקנים ליזה קרויצר, רבקה נוימן וג'וליאנו מר.
בשנת 1993, בעקבות ניצחונו של יצחק רבין בבחירות 92' והסכמי אוסלו, שב גיתאי לישראל, אך המשיך לשמור על קשריו עם תעשיית הסרטים בצרפת. בשנים שלאחר מכן ביים את טרילוגיית הערים העוסקת בערים שונות בישראל והכוללת את הסרטים דברים (1995), יום-יום (1998) ו-קדוש (1999). דברים הוא עיבוד לספרו של יעקב שבתאי 'זיכרון דברים' ומתמקד בהווי הקיום של תל אביב. יום-יום מתרחש בחיפה ומציג קומדיית מצבים פוליטית הנוגעת ביחסים בין יהודים וערבים, בנים והורים, גברים ונשים. הסרט הוצג בפסטיבל הסרטים בוונציה ב-1998 וזכה בפרס וולג'ין בפסטיבל הסרטים בירושלים באותה השנה. קדוש ממוקם בשכונת מאה שערים בירושלים ומציג דיוקן קיצוני וחמור של החיים בשכונה החסידית. הסרט מציג שני סיפורי אימה, השזורים אחד בשני, על נשים הנשלטות על ידי גברים בשם הדת. רבים בישראל ביקרו את הסרט ואת הדרך בה גיתאי בחר להציג החברה החרדית. לעומת זאת הסרט זכה להצלחה מחוץ לישראל והתקבל כהישג לקולנוע הישראלי. הוא הוצג במסגרת התחרות הרשמית של פסטיבל קאן ב-1999 והביא לגיתאי את ההכרה כבמאי בינלאומי.. השתתפו בו השחקנים יעל אבקסיס, מיטל ברדה, ליא קניג, יוסוף אבו ורדה, אורי קלאוזנר, רבקה מיכאלי ויורם חטב.טרילוגיה נוספת המתמקדת באירועים היסטוריים חשובים לחברה הישראלית כוללת את הסרטים כיפור (2000), עדן (2001) ו-קדמה (2002). כיפור היה הסרט העלילתי המשמעותי ביותר עד אז שעסק במלחמת יום הכיפורים. המבקרים שיבחו את הסרט על הדרך העניינית בה הציג גיתאי את המלחמה, אך יש שביקרו את הסרט כמוצר קר רגש וכחסר התפתחות עלילתית של ממש. גיתאי הגן על יצירתו כמבטאת את זיכרונותיו האישיים ואת הדרך בה הוא רואה את המלחמה. הסרט הוצג במסגרת התחרות הרשמית בפסטיבל קאן ב-2000 ונבחר לאחד מהסרטים החשובים בהיסטוריה של הקולנוע על ידי כתב העת הצרפתי . שיחקו בו לירון לבו, תומר רוסו, אורי קלאוזנר ויורם חטב. הסרט עדן הוצג במסגרת התחרות הרשמית בפסטיבל ונציה ב-2001 והשתתפו בו סמנטה מורטון, דני יוסטון וארתור מילר. הסרט קדמה מספר את סיפורם של המעפילים שעם הגעתם לארץ נשלחו לקרבות לטרון. הסרט הוצג גם הוא במסגרת התחרות הרשמית בפסטיבל קאן ב-2002 ובעקבותיו זכה גיתאי בפרס רוברטו רוסליני על מפעל חיים ב-2003 ובפרס פסטיבל הסרטים בירושלים על מכלול יצירתו. ב-קדמה השתתפו אנדריי קשקר, הלנה ירלובה, מנחם לנג ומוני מושונוב.
בשנת 2004 החל גיתאי לעבוד על טרילוגיה העוסקת בשאלת הגבולות. הארץ המובטחת, חלקה הראשון של הטרילוגיה, עוסק בסחר בנשים בישראל. הסרט השתתף בתחרות הרשמית של פסטיבל הסרטים בוונציה ובו השתתפו השחקנים רוזמונד פייק, חנה שיגולה, יוסוף אבו ורדה, אן פריו, דיאנה בספצ'ני, ולהקת הרוק הישראלית היהודים. בשנת 2005 ביים את אזור חופשי, בהשתתפות הכוכבת האמריקנית ממוצא ישראלי נטלי פורטמן, היאם עבאס והשחקנית חנה לסלאו אשר זכתה על תפקידה זה בפרס השחקנית הטובה ביותר בפסטיבל קאן. החלק האחרון של הטרילוגיה הוא התנתקות משנת 2007, בו מפגיש גיתאי בין בחור ישראלי צעיר (לירון לבו) לבין אחותו (ז'ולייט בינוש) המתגוררת בצרפת בלוויית אביהם. הם מגלים אחד את השני מחדש כשברקע מתמודדת ישראל עם תהליך ההתנתקות מגוש קטיף. גיתאי לוקח את המושג התנתקות גם למשמעות אישית וחוקר את המונח הן רגשית והן אינטלקטואלית. עוד משתתפים השחקנים ז'אן מורו, ברברה הנדריקס, דאנה איבגי, אורי קלאוזנר, ישראל קטורזה ואחרים.
בשנת 2012 ביים גיתאי את הסרט שיר ערש לאבי, המספר את סיפורו של אביו של גיתאי, האדריכל מוניו גיתאי-וינרויב. הסרט הוא מסע התר אחר הקשרים בין אב לבנו, בין ארכיטקטורה לקולנוע ובין אירועים היסטוריים לבין זיכרונות אישיים.
בשנת 2014 ביים את הסרט אנה ערביה בו גיתאי מבקש להעביר בשוט רציף אחד סיפור על דו קיום, זהויות לאומיות, היסטוריה וזיכרון.
הסרט הוצג בתחרות המרכזית של פסטיבל ונציה ה-70.
בשנת 2015 ביים גיתאי את רבין, היום האחרון. הסרט הוצג בתחרות הסרטים של פסטיבל הסרטים של ונציה ובפסטיבל הסרטים הבינלאומי בטורונטו. גיתאי מתמודד בסרטו עם שאלת הזיכרון של רצח רבין ועם רוח התקופה שקדמה לו. הסרט שופך אור על המשבר הפוליטי-חברתי בו נמצאת החברה הישראלית באותה תקופה, משבר שבמידה מסוימת החל עם רציחתו של ראש הממשלה יצחק רבין וגל ההסתה והשנאה שהכה בתקופה שלפני. גיתאי משתמש בקטעי ארכיון ושחזור עלילתי של מאורעות אותו היום. מבקר הקולנוע שמוליק דובדבני כתב: "רבין, היום האחרון הוא לא סרט שמציע נחמה. הוא גם לא סרט שמתיימר לחשוף את "האמת" סביב הרצח. מבנהו המבולבל לכאורה משקף גם את הטראומה הלאומית וגם את רסיסי מה שנותר מאז מהחברה הישראלית, שקריאות דביקות לאיחוד מאולץ שלה נשמעות עד היום. בעיקר הוא אומר - באמצעות השוט החותם את הסרט - שישנו קו ישר המחבר את הרצח לסיטואציה הפוליטית היום."