2001 begann Gilroy, Robert Ludlums erfolgreiche Bestsellertrilogie um den CIA-Killer Jason Bourne zu Drehbüchern umzuarbeiten. Die folgenden beiden Verfilmungen waren ein Erfolg, der dritte Teil kam 2007 unter dem Titel "Das Bourne Ultimatum" in die Kinos. Im selben Jahr feierte der Drehbuchautor und Filmproduzent mit dem Spielfilm "Michael Clayton" sein Debüt als Regisseur, wofür er eine Oscar-Nominierung erhielt. In dem Thriller schlüpft George Clooney in die Titelrolle eines ausgebrannten New Yorker Anwalts, der auf eine Multi-Millionen-Dollar-Gemeinschaftsklage angesetzt wird. "Michael Clayton" feiert seine Premiere bei den 64. Filmfestspielen von Venedig, wo der Film im offiziellen Wettbewerb vertreten war, aber unprämiert blieb. 2009 entstand mit "Duplicity – Gemeinsame Geheimsache" seine zweite Regiearbeit.