Gill az Aberdeeni Egyetemen tanult, 1872-ben James Ludovic Lindsay Aberdeen közelében lévő magán-obszervatóriumának az igazgatója lett. Innen indult 1874-ben Mauritiusra, hogy megfigyelje a Vénusz áthaladását, majd 1877-ben az Ascension-szigetre, hogy a Mars oppozícióját tanulmányozza. A Földhöz közeledő Mars helyzetének a méréséből sikerült nagyjából kiszámítania a Nap parallaxisát. 1888-89-ben sok más csillagásszal együttműködve intenzív heliométeres programot hajtott végre kiválasztott kisebb bolygók megfigyelésére. Ez vezetett el 1901-ben a Nap-parallaxis első modern pontosságú meghatározásához.
A Jóreménység fokánál királyi csillagászként működött 1879-től 1907-ig, ebben az időszakban részletes fényképeket készített a déli égi sarktól számított 19o-on belül az égről. Ezekből a felvételekből állította össze J. C. Kapteyn a csaknem 500 000 csillagot tartalmazó, Cape Photographic Durchmusterung c. katalógust. Gillt 1900-ban lovaggá ütötték.