Après des études de droit, il exerce depuis 1965 la profession d'agent général d'assurances à Amiens. De mai 2002 à mai 2005, il assure la fonction de Ministre de l'Équipement, des Transports, du Logement, du Tourisme et de la Mer des différents gouvernements Raffarin.
Le 3 juin 2005, Gilles de Robien est nommé ministre de l'Education Nationale du gouvernement De Villepin. Il est à l'initiative de mesures visant à assouplir la carte scolaire et à revaloriser l'apprentissage, mais il fait surtout parler de lui suite à sa circulaire Apprendre à Lire, qu'il publie le 3 janvier 2006 et qui interdit l'usage des méthodes analytiques.
Il est stipulé que les méthodes analytiques « saturent la mémoire des élèves sans leur donner les moyens d'accéder de façon autonome à la lecture » ; elles sont ainsi présentées comme la cause de tous les maux et il est demandé aux instituteurs de « [les] écarter résolument ». Simultanément, Gilles de Robien entend redonner toute son importance à une découverte progressive et structurée, depuis la lettre jusqu'à la phrase, ainsi qu'au principe du décodage, ce qui sont les bases mêmes de la méthode synthétique pure
Ces réformes ont été la source de nombreuses critiques et ont largement contribué à alimenter la polémique et le débat médiatique ; les mesures mises en place par l'Education Nationale pour appliquer ces directives ont notamment été jugées beaucoup trop intrusives et directives.
Par ailleurs, pour justifier les décisions prises, Gilles de Robien s'appuie sur les travaux d'experts de l'ONL, notamment Stanislas Dehaene, Jean-Emile Gombert ou encore José Morais, et implique notamment les sphères des neurosciences et de l'orthophonie, qui ont, depuis, pris leurs distances avec les affirmations du ministre, certains dénonçant même la « manipulation » qu'avait faite Gilles de Robien de leurs travaux.
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