Gila von Weitershausen wurde als Gisela Freiin von Weitershausen am 21. März 1944 im schlesischen Trebnitz geboren. Ihre Mutter Ingeborg entstammte dem preußischen Adelsgeschlecht von der Groeben, ihr Vater Georg Freiherr von Weitershausen war Offizier; Giselas Urgroßvater war der einstige Reichskanzlers Georg von Hertling.

Am Ende des Zweiten Weltkriegs flüchtete die Familie aus Schlesien. Nach dem Abschluss an einer Rudolf-Steiner-Schule besuchte Gila von Weitershausen 1962, mit 18 Jahren, die Neue Münchner Schauspielschule, gegen den Willen ihrer Eltern. Im selben Jahr gab sie ihr Debüt vor der Kamera mit einer Episodenhauptrolle in dem Aufklärungsfilm "Hütet eure Töchter!", der aber erst 1964 in die Kinos kam. Es folgten vereinzelte Fernsehauftritte und Kino-Nebenrollen wie in Kurt Hoffmanns "Herrliche Zeiten im Spessart" (1967). Bühnenerfahrungen sammelte sie am Fränkischen Landestheater. 1966 heiratete sie in München den Schauspieler Martin Lüttge.

Der Durchbruch gelang Gila von Weitershausen 1968 in der Hauptrolle einer unangepassten jungen Frau in der frivolen Schwabing-Komödie "Engelchen oder Die Jungfrau von Bamberg" – für diesen Part erhielt sie ausgezeichnete Kritiken und den Deutschen Filmpreis als Beste Nachwuchsdarstellerin. Im gleichen Jahr sah man sie als freche Schülerin im Ensemble der Paukerkomödie "Die Lümmel von der ersten Bank" (1968). Mit dem Regisseur Michael Verhoeven drehte von Weitershausen "Engelchen macht weiter – hoppe, hoppe Reiter" (1969) und "Der Bettenstudent oder: Was mach’ ich mit den Mädchen?" (1970), May Spils besetzte sie in einer Hauptrolle des preisgekrönten Klassikers "Nicht fummeln, Liebling" (1970).

In den folgenden zehn Jahren wirkte Gila von Weitershausen in einer Reihe sehr unterschiedlicher Filme mit. So gehörte sie als auf Rache sinnenden Wildwest-Siedlerin zum Ensemble der Jack-London-Adaption "Der Schrei der schwarzen Wölfe" (1972), verdrehte in "Als Mutter streikte" (1974) als lebenslustige Dorfschönheit diversen Männern den Kopf und spielte in der Martin-Walser-Verfilmung "Das Einhorn" (1978) die Ehefrau eines Schriftstellers in der Midlife-Crisis.
Der Franzose Louis Malle, mit dem sie von 1970 bis 1973 liiert war (die Ehe mit Lüttge wurde 1972 geschieden), besetzte sie in dem Coming-of-Age-Film "Herzflimmern" (FR/IT/DE 1971) als Prostituierte. Aber auch andere internationale Regisseure wurden auf Gila von Weitershausen aufmerksam. In Jess Francos Abenteuerfilm "X 312 - Flug zur Hölle" (DE/ES 1971) gehörte sie zu den illustren Passagier*innen eines im Dschungel abgestürzten Flugzeugs, in Claude Chabrols Thriller "Die Schuldigen mit den sauberen Händen" (1976) war sie die Geliebte eines skrupellosen Geschäftsmannes (Jean Rochefort).

Neben solchen Kinofilmen wirkte Gila von Weitershausen auch in mehreren TV-Produktionen mit, zum Beispiel in Wolfgang Petersens "Schwarz und weiß wie Tage und Nächte" (1978) als Frau eines hochbegabten Schachprofis (Bruno Ganz), und in der Stefan-Zweig-Adaption "Verwirrung der Gefühle" (FR/DE 1979) als Scheinehefrau eines verborgen schwulen Uniprofessors (Michel Piccoli), der eine Affäre mit einem seiner Studenten beginnt.

Anfang der 1980er Jahre verlegte Gila von Weitershausen nach Volker Schlöndorffs Kinofilm "Die Fälschung" (1981, erneut als Ehefrau von Bruno Ganz' Hauptfigur) ihren Arbeitsschwerpunkt aufs Fernsehen. In den folgenden 40 Jahren wirkte sie in einer unüberschaubaren Menge an Fernsehspielen und Serien mit. Die Bandbreite reichte von dem britisch-deutschen Drama " Der Offizier und die Puppe" (1985) mit Jeremy Irons, über Episodenrollen in "Der Alte", "Meister Eder und sein Pumuckl", "Liebling Kreuzberg" und "Tatort" – um nur wenige Beispiele zu nennen.

Zwischendurch übernahm Gila von Weitershausen vereinzelt auch Kinorollen: In Margarethe von Trottas "Fürchten und Lieben" (FR/IT/DE), als Urlaubsbekanntschaft von Jean-Paul Belmondo in "Der Löwe" (FR/DE 1988) und als Mutter des jungen Helden in dem Kinderfilm "Lippels Traum" (1990).

In der Serie "Der Landarzt" spielte sie von 1987 bis 1995 die Hauptrolle der Annemarie Mattiesen; die Rolle hatte sie von Uschi Glas übernommen, die schwangerschaftsbedingt ausgestiegen war. Eine feste Rolle hatte sie auch in der Filmreihe "Der Schwarzwaldhof" (2010-2012). Zudem war sie bis 2018 in verschiedenen Rollen auf dem "Traumschiff" zu Gast. Die letzten Rollen spielte sie 2021/2022 in zwei Folgen von "Kreuzfahrt ins Glück". Ihre Filmografie umfasst rund 200 Titel.

Gila von Weitershausen war von 1994 bis zu dessen Tod im Jahr 2020 mit dem Radiologen und Psychoanalytiker Hartmut Wahle verheiratet und lebt in München. Zu ihren fünf Geschwistern gehören die Filmeditorin Barbara von Weitershausen und der Fotograf Horst von Weitershausen. Aus der Beziehung mit Louis Malle hat sie einen Sohn, den Filmproduzenten Manuel Cuotemoc Malle.