Родился в г. Черитон, штат Айова. Когда ему было 12 лет, семья переехала в штат Калифорния, и он окончил среднюю школу в городе Лонг-Бич. Получил в 1935 г. степень бакалавра, а в 1936 — магистра в Аризонском университете по антропологии. По завершении магистерской программы в Аризоне Уилли переехал в г. Мейкон (Джорджия) и занимался полевыми работами под руководством Артура Келли.
Проводил археологические раскопки в Перу, Панаме, Никарагуа, Белизе и Гондурасе.
Важной заслугой Гордона Уилли является изучение характерных планировок древних поселений. Его работы стали одной из основ метода «процессуальной археологии», который предложил в 1960-е гг. Льюис Бинфорд.
