Родился 21 декабря 1934 года в Магнитогорске в семье Анатолия Петровича и Веры Степановны Панфиловой. Отец работал журналистом.
В 1957 году окончил химический факультет УПИ. Работал мастером Свердловского завода медаппаратов, научным сотрудником НИИ.
С 1959 года — заведующий отделом пропаганды и агитации Свердловского горкома ВЛКСМ, где по его инициативе была организована любительская киностудия, где Панфилов вместе с друзьями снял несколько фильмов — «Нейлоновая Курточка», «Народная Милиция» (1958).
В 1961 году начал работать на свердловском телевидении. В том же году вступил в КПСС. На Свердловском телевидении снял фильмы «Вставай в наш строй» (1959, документальный), «Убит не на войне», «Нина Меловизинова» (короткометражные, 1962) и «Дело Курта Клаузевица» (1963, художественный телефильм).
В 1960-1963 году заочно обучался на операторском факультете ВГИКа, затем перешёл на Высшие режиссёрские курсы.
В 1966 году начал работать на «Ленфильме», где снял свой первый художественный фильм «В огне брода нет» (1967), неканонически изображавший гражданскую войну. В 1969 году «В огне брода нет» получил приз Международного кинофестиваля в Локарно (Швейцария).
В 1970 году снял фильм «Начало», который в 1971 году получил «Серебряного льва» на Международном кинофестивале в Венеции. Во время съёмок фильма Панфилов женился на актрисе Инне Чуриковой. С тех пор она стала его «музой».
Следующий фильм «Прошу слова» (1975) был удостоен награды Международного кинофестиваля в Карловых Варах (1976) и приза Международного кинофестиваля в Барселоне (1977).
В 1977 году Панфилов перешёл на киностудию «Мосфильм», и стал руководителем мастерской на Высших режиссёрских курсах.
На «Мосфильме» Панфилов снял фильм «Тема» (1979), который, в связи с затронутой в нём проблемой эмиграции, пролежал на полке до 1987 года. Выйдя в международный прокат, фильм получил главный приз Берлинского МКФ — «Золотой медведь» (1987).
В 1981 году экранизировал пьесу А. В. Вампилова «Прошлым летом в Чулимске», дав фильму первоначальное авторское название — «Валентина».
В 1983 году поставил фильм «Васса» по пьесе М. Горького «Васса Железнова», за который получил Золотой приз Международного кинофестиваля в Москве (1983).
В 1986 году дебютировал как театральный режиссёр в театре «Ленком» постановкой «Гамлета», в которой играли ведущие актёры театра: Янковский, Олег Янковский (Гамлет), Инна Чурикова (Гертруда), Александра Захарова (Офелия).
В 1990 году снял фильм «Мать» по мотивам произведений М. Горького. В том же году режиссёр был награждён Каннским призом за художественный вклад в кинематограф.
В 1991 году Глеб Панфилов основал киностудию «Вера», названную так в честь его матери. Начались подготовительные работы для фильма «Романовы. Венценосная Семья», сценарий к которому написал сам Панфилов с женой (Инной Чуриковой) и сыном Иваном. Тем временем Панфилов вернулся в театр «Ленком», где в 1992 году поставил пьесу «…Sorry» с Инной Чуриковой и Николаем Караченцевым в главных ролях.
В 2000 году вышел в свет фильм «Романовы. Венценосная Семья» — о последних месяцах жизни последней русской императорской семьи — который в мае 2001 года получил главный приз на фестивале «Виват, кино России!» (Санкт-Петербург).
В феврале 2006 года на телеэкраны вышел фильм «В круге первом» (по одноименному роману А. И. Солженицына). Телесериал получил ряд наград, в том числе премию «Ника» за лучший телевизионный фильм.
Одновременно с сериалом снимался художественный фильм по мотивам романа. Сценарий написал сам режиссёр. Кинофильм под названием «Хранить Вечно» вышел в 2007 году, а в 2008 году получил специальный приз представительства ООН в России на XIV Международном фестивале фильмов о правах человека «Сталкер».
В октябре 2008 года канал «Россия» представил премьеру нового фильма Глеба Панфилова «Без вины виноватые» (по мотивам одноименной пьесы Островского). В 2010 году Глеб Панфилов поставил спектакль "Аквитанская львица" с Инной Чуриковой и Дмитрием Певцовым по мотивам пьесы Л.Голдмена «Лев зимой».
У Глеба Панфилова 2 сына - Анатолий (1957 г.р. от первого брака) и Иван (1978 г.р. от Чуриковой). Анатолий - актёр театра и кино и художник-постановщик.