Mit einer Gewässerlänge von 25 km durchfließt der Gillbach sein knapp 100 km² großes Einzugsgebiet. Er beginnt in Bergheim-Niederaußem auf einer Höhe von 77 müNN und mündet in Neuss Weckhoven auf einer Höhe von 37 müNN in die Erft.

Der größte Teil des Einzugsgebietes befindet sich innerhalb des Lössgebietes der Köln-Bonner Rheinebene, erst im Mündungsbereich tritt der Gillbach in die Erftniederung ein.

Entsprechend ist er als kleiner bis mittelgroßer Lössbach zu charakterisieren, lediglich im Mündungsabschnitt ist er als Niederungsbach anzusprechen.

Aufgrund seiner Lage inmitten sehr fruchtbarer Lössböden stellte sich der Gillbach bereits Anfang des 19. Jahrhunderts als stark ausgebautes und begradigtes Gewässer dar. Dies wurde in späteren Zeiten noch durch mehrere Flurbereinigungen und Ausbaumaßnahmen verstärkt. Waldflächen sind im Gewässerumfeld nahezu keine mehr vorhanden. Der Ackerbau ragt meist bis an die Böschungsoberkante.

Einen weiteren großen Einfluss hatte der Braunkohlentagebau auf den Gillbach. Seine Quelle wurde im Zuge des Braunkohlentagebaus abgegraben und das Grundwasser abgesenkt, so dass der Gillbach keinen natürlichen Trockenwetterabfluss mehr aufweist. Sein heutiger Basisabfluss besteht hauptsächlich aus Kühlwasser des Kraftwerks Niederaußem sowie zu einem kleinen Teil aus gereinigtem Abwasser aus der Kläranlage Niederaußem. Im Vergleich zum natürlichen Abflussgeschehen des Gillbachs führt dies zu erhöhten Abflüssen. Auch die Temperatur des Gillbachs ist aufgrund der warmen Kühlwassereinleitungen ganzjährig erhöht.

 

In den letzten Jahren wurde verstärkt damit begonnen, den anthropogen überprägten Gillbach abschnittsweise wieder zu renaturieren. Dafür werden Uferstreifen erworben, der Gillbachlauf wieder verlängert und standortgerechte Gehölze gepflanzt, die zu einer Beschattung führen und somit eine zusätzliche Erwärmung des Abflusses verhindern.

Für den Hochwasserschutz betreibt der Erftverband das Hochwasserrückhaltebecken Gill. Zur Steuerung dieses Beckens dient der Pegel Gill, den der Erftverband unterhält, ebenso wie den Pegel Anstel. Das Land NRW betreibt kurz vor der Mündung in die Erft noch den Pegel Weckhoven. Anhand dieser Pegel kann das Abflussgeschehen dokumentiert werden.

Die Europäische Union hat mit der Wasserrahmenrichtlinie das Ziel vorgegeben, einen guten ökologischen sowie chemischen Zustand für alle Gewässer zu erreichen. Der Gillbach ist Teil der Planungseinheit PE_ERF_1000 und auf ganzer Länge als „erheblich verändert“ eingestuft. Um den guten Zustand zu erreichen, müssen in den nächsten Jahren weitere Gewässerrenaturierungen durchgeführt werden.