Il est conseiller municipal de l'ancienne ville de Lauzon de 1986 à 1989 et de la ville de Lévis de 1989 à 2005[1]. Chef et porte-parole du parti municipal Le Progrès de Lévis. Il est aussi président du Comité de coordination et d'aménagement du parcours des anses; responsable de l'aménagement et construction de la Maison des aînés de Lévis, membre du comité exécutif de la Ville de Lévis, vice-président de la Société de transport Trans-Sud, représentant de la MRC Desjardins au Comité Québec-Capitale, et membre du comité exécutif de la Société de promotion économique du Québec métropolitain.
Parmi ses réalisations au niveau municipal, on lui doit la création de la piste cyclable «Le Parcours des Anses» qui forme un corridor de 15 kilomètres, en bordure du fleuve Saint-Laurent, sur l'ancien tracé du chemin de fer du Canadien National (anciennement le Grand Tronc). Elle est inaugurée le .
En 2005, il se présente à la mairie pour le parti Démocratie Lévis, mais il est vaincu par Danielle Roy-Marinelli[2].
Lors de son passage en tant que député à l'Assemblée nationale, il fait adopter deux projets de loi[3]. Il préside le caucus des députés de son parti dans la région de Chaudière-Appalaches en plus d'être secrétaire parlementaire de la ministre de la Culture, des Communications et de la Condition féminine de 2009 à 2012[4]. Il est défait par Christian Dubé de la Coalition avenir Québec à l'élection de 2012.
Maire de Lévis
En 2015.
Après sa défaite aux élections provinciales de 2012, il revient en politique municipale sous la bannière de Lévis Force 10, la même formation devant laquelle il s'était incliné sept ans plus tôt[5]. Il est élu maire de Lévis lors de l'élection municipale de 2013 dans une course serrée avec son adversaire, la candidate indépendante Isabelle Demers[6]. Il est par la suite réélu pour deux autres mandats le [7] puis le [7] avec de fortes majorités.
Le premier magistrat de la rive-sud de Québec fait face à peu d'opposition au cours de ses deux premiers mandats puisqu'un seul élu en dehors de sa formation réussit à se faire élire, Clément Genest[8]. Ce dernier rejoint d'ailleurs le parti du maire en 2017, pavant la voie à une victoire de la formation politique dans tous les districts de la ville[9].
Lors de sa troisième élection, un seul candidat réussit à se faire élire dans l'opposition, soit le comédien Serge Bonin dans le district de Saint-Étienne[10]. Comme la formation politique de ce dernier, Repensons Lévis, a récolté plus de 20% des suffrages, elle peut former un cabinet et bénéficie de budgets de recherche[11]. Il en résulte certaines tensions à l'hôtel de ville[12], le maire ayant davantage à justifier ses actions auprès de la population[13],[14].
Le , après une longue réflexion, Gilles Lehouillier annonce qu'il ne se représentera pas au terme de son troisième mandat et prendra sa retraite[19]. Il était maire de Lévis depuis son élection en 2013.
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