Voulant embrasser une carrière de comédien, Khalil Gharbia se forme à l'Atelier d'Amélie de 2017 à 2019, puis enchaîne les castings. En 2019, ses efforts payent puisqu'il décroche deux rôles dans deux courts métrages : Night Train de Jerry Carlsson (présenté au prestigieux festival de Venise), ainsi que L'Eté sur les flancs de Lucie Le Carrer.

Début 2021, il gagne brusquement en notoriété lorsqu'il rejoint la série SKAM France, dont chaque saison se centre sur le parcours d’un personnage d'un groupe d’amies. L'acteur y campe le protagoniste principal de la saison 8, Bilal, un lycéen en situation précaire, passionné de mode, qui tombe amoureux du personnage de Jo (Louise Malek).

Khalil trouve, dans la foulée, un autre personnage majeur dans Les 7 vies de Léa, une adaptation du roman Les 7 vies de Léo Belami de Nataël Trapp. Il s'agit d'Ismaël, un jeune garçon disparu depuis 1991 et dont l'héroïne (jouée par Raïka Hazanavicius) trouve le corps en 2021. Le programme connaît un grand succès sur la plateforme Netflix

Par ailleurs, Khalil Gharbia tient aussi un petit rôle dans Il est Elle, un émouvant téléfilm unitaire TF1 abordant le difficile sujet de la transidentité. Librement inspiré de la bande dessinée Barricades de Charlotte Bousquet et Jaypee, ce long métrage choc est emmené par Andréa Furet, Jonathan Zaccaï ou encore Odile Vuillemin.

Côté grand écran, la carrière de Khalil prend un tournant important lorsqu'il est choisi par François Ozon pour jouer l'un des protagonistes de Peter von Kant. Il se glisse ainsi dans la peau d'Amir, un jeune homme d'origine modeste voulant faire du cinéma, qui devient l'amant du tyrannique et solitaire réalisateur campé par Denis Ménochet.