1975-ben megnyerte a brit Formula–3 bajnokságot. A Formula–1-ben két évet töltött 1976 és 1977 között, mialatt a Lotus csapat pilótájaként 32 versenyen vett részt, de csak 31-en indult. Csapattársa Mario Andretti volt. Egyetlen futamgyőzelmét az 1977-es belga nagydíjon szerezte, ahol megfutotta a leggyorsabb kört is. Az 1978-as szezonra az akkor újonnan alapított Arrowshoz szerződött, de rákot diagnosztizáltak nála, ezért nem tudott több versenyen részt venni. Nem sokkal 30. születésnapja előtt hunyt el egy londoni kórházban. Édesanyja, Elisabeth Nilsson fia emlékére hozta létre a Gunnar Nilsson Rákalapítványt ("The Gunnar Nilsson's Cancer Foundation").