Окончил Гаванский Университет по специальности «юриспруденция». Однако, вскоре оставил карьеру юриста и работал печатником и журналистом.
Первые стихи опубликованы в 1919 году. Печатался в различных журналах с 1920-х гг.; в 1930 году издан первый сборник «Мотивы сона». В нём и в следующем сборнике «Сонгоро Косонго» (1931, рус. пер. 1967) повествуется о жизни кубинских негров.
В сборнике «Вест-Индская компания» (1934) обратился к политической лирике.
В 1936 году Гильен вместе с другими участниками журнала «Полдень» (Mediod?a) был арестован по сфабрикованному обвинению и заключён в тюрьму. В следующем году он вступил в коммунистическую партию, участвовал в Конгрессе писателей и художников в Испании, а также вёл репортажи о гражданской войне. Тогда же выходит сборник «Песни для солдат и соны для туристов» и поэма «Испания. Поэма в четырёх печалях и одной надежде» (1937).
Гильен возвратился на Кубу и был выдвинут кандидатом на местных выборах от коммунистической партии. Революционному движению Кубы и других стран Латинской Америки посвящён цикл «Все песни» (1947). В последующие годы он много путешествовал по Южной Америке, Европе, Китаю. Гильену было отказано во въездной визе в США. Также, в 1953 году ему было запрещено возвращаться на Кубу, где он смог появиться только после победы революции.
В 1958 году опубликовал сборник стихов «Всенародный голубь».
По возвращении на родину был назначен президентом Национального союза писателей Кубы.
Гильен получил широкую известность как типичный представитель «чёрной поэзии» (poes?a negra), соединяющей в себе традиции европейской и африканской культуры. Характерным становится использование ономатопоэтических приёмов, имитации звука барабанов и соновых ритмов. В частности, на основе стихотворения Гильена «Сенсемайя» была написана знаменитая одноимённая композиция Сильвестре Ревуэльтаса.