Fin dal liceo Giacomo Gentilomo ha avuto una grande passione per il disegno, la pittura e il teatro. Si diletta a disegnare scenografie e bozzetti per il teatro tanto che il regista russo Scharoff, che è a Trieste per la messa in scena di uno spettacolo, apprezza il suo lavoro e lo invita ad iscriversi nella sua scuola di teatro a Dusseldorf.
Nel 1931 Gentilomo si trasferisce a Roma dove inizia la sua gavetta alla Cines: da segretario di edizione, a montatore, a scenografo, a sceneggiatore, ad aiuto regista. Proprio con Carlo Ludovico Bragaglia, che fu il suo maestro, e successivamente con Mario Mattoli fa il suo esordio da aiuto regista. Nel 1937 gira come prima opera da regista il documentario Sinfonie di Roma utilizzando per la prima volta in Italia una pillicola technicolor. Successivamente gira il lungometraggio Ecco la Radio un affresco sull'Eiar.
Diventato regista a pieno titolo, realizza prima e subito dopo la guerra, numerosi film tra cui Amanti in fuga (presentato a Cannes nel 1946) e I fratelli Karamazov (due Nastri d'Argento nel '48 per Migliore sceneggiatura e Miglior commento musicale), quindi O Sole Mio che apre la prima edizione del Festival di Locarno il 23 agosto 1946. I suoi film spaziano dalla commedia sentimentale, al giallo-rosa, ai film musicali, ai melodrammi popolari ai film di avventura, al genere Peplum.
Di carattere brusco e schivo da qualsiasi forma di pubblicità e socializzazione, Gentilomo non vive l'ambiente del cinema come proprio e non frequenta i salotti di Via Veneto, le anteprime cinematografiche dei suoi film e i vari festival del cinema nazionali ed internazionali a cui è sempre invitato.
Quando inizia la crisi del cinema, dopo la realizzazione di opere del genero epico-mitologico (i cosiddetti peplum), nel 1965 si ritira nel suo studio di pittura dedicandosi ad una vastissima produzione di quadri del genere surrealista e metafisico.
Nel corso della sua carriera cinematografica ha diretto Amedeo Nazzari, Marcello Mastroianni, Anna Magnani, Vittorio Gassman, Arnoldo Foà, Maria Mercader, Gina Lollobrigida, Peppino de Filippo, Silvana Pampanini, Antonella Lualdi, Giuliano Montaldo, Ilaria Occhini, Renato Rascel, Mel Ferrer, Claudio Gora, Carlo Dapporto, Alberto Rabagliati, Tito Schipa, Fosco Giachetti, Isa Barzizza, Andrea Checchi, Carlo Campanini, Clara Calamai, Massimo Serato e tanti altri..
Hanno collaborato alla realizzazione dei suoi film Marcello Marchesi, Mario Monicelli - che fece per la prima volta l'aiuto regista ne La Granduchessa si diverte -, Maleno Malenotti, Arpad de Riso, Mino Caudana, Leo Benvenuti, Liana Ferri, Renzo Rossellini, Nino Rota, Carlo Rustichelli, Carlo Franci, Ezio Carabella, Mario Nascimbene. Nel 1960 Carlo Rambaldi debuttò nel mondo del cinema realizzando il grande Drago per il film Sigfrido .
Nel 1990 ha ricevuto un omaggio alla carriera nell'ambito del Festival dei Due Mondi di Spoleto.
1948 Premio Miglior sceneggiatura per I fratelli Karamazoff
1959 Sceneggiatura, Soggetto
1954 Regia
1952 Regia, Sceneggiatura
1951 Regia, Sceneggiatura