Gnilka studierte 1947–1953 Theologie, Philosophie und orientalische Sprachen in Eichstätt, Würzburg und Rom. 1953–1956 war er Kaplan in Würzburg. 1955 promovierte Gnilka bei Rudolf Schnackenburg in Würzburg zum Dr.theol. zum Thema: Ist 1 Kor 3,10–15 ein Schriftzeugnis für das Fegefeuer? Eine exegetisch-historische Untersuchung.
Ebenfalls in Würzburg wurde Gnilka 1959 habilitiert; die Habilitationsschrift trägt den Titel Die Verstockung Israels. Isaias 6,9–10 in der Theologie der Synoptiker. 1958 war er Wissenschaftlicher Assistent und 1959–1962 Privatdozent an der Universität Würzburg. 1962–1975 war er ordentlicher Professor für Neues Testament in Münster/Westf. und 1975–1997 ordentlicher Professor für Neutestamentliche Exegese und Biblische Hermeneutik in München. Von 1973 bis 1988 war Gnilka Mitglied der Päpstlichen Bibelkommission und von 1984 bis 1994 Mitglied der Internationalen Bibelkommission. Gnilka wurde 1992 vom Papst Johannes Paul II. zum Ehrenprälaten ernannt. 1997 wurde er emeritiert.
Schüler von Joachim Gnilka sind z.B. Hans-Josef Klauck und Detlev Dormeyer sowie Thomas Schmeller.