Après une thèse sur les
annélides polychètes de l’estuaire du
Bou Regreg (
Maroc) en 1986, Patrick Gillet poursuit ses recherches sur les annélides polychètes.
Un premier axe de recherche concerne l'étude des écosystèmes marins profonds: campagnes océanographiques des Iles subantarctiques Crozet, Marion et Prince Edward, campagnes MD 08 BENTHOS et MD 30 BIOMASS et campagnes SEAMOUNT 1 et SEAMOUNT 2 sur les monts sous-marins de l'Atlantique Nord.
Un deuxième axe de recherche porte sur la dynamique des populations, en particulier Nereis diversicolor, espèce clé des estuaires dans le cadre du Programme national d'écotoxicologie (PNETOX) au sein de l’équipe de recherche Mer, molécules, santé (MMS).
Depuis 2014, il poursuit l'étude de la dynamique des populations de Nereis diversicolor dans le cadre du programme RS2E sur la vasière des Brillantes de l’estuaire de la Loire et le programme ECOTONES dans l’estuaire de la Seine.
Il participe également au programme de recherche BIOMAR avec l'université de Marrakech sur les annélides polychètes des substrats rocheux de la côte atlantique marocaine entre Essaouira et Safi.