En 1768, con el grado de sargento mayor, fue destinado a Perú. En 1771 se le designó sub-inspector para la instrucción de las milicias de caballería, aunque en la práctica actuaba como director de las tropas. En 1776 obtuvo por Real Orden el grado de coronel.
Desde 1780 participó en la represión de las sublevaciones encabezadas por José Gabriel y Diego Túpac Amaru. Siendo comandante de Cuzco resistió a los ataques del primero y lo derrotó en varios enfrentamientos importantes. Más tarde, al mando del cuerpo de reserva, participó en la expedición del general José del Valle contra los rebeldes. En el Cuzco, se casó con la viuda del marqués de Santa Rosa, Mercedes del Risco y Ciudad (1782), de quien se decía era persona en extremo piadosa.
En 1785 heredó de sus hermanos el título de Marqués de Avilés, concedido veinticuatro años antes al entonces intendente de Zaragoza, su padre, el brigadier José de Avilés. En 1787 fue nombrado gobernador del presidio y plaza fuerte del Callao. Permaneció en Perú hasta 1796, un año después de haber alcanzado el grado de teniente general.
En 1796 Avilés ocupó el cargo de Reino de Chile o Capitán General (Gobernador) de Chile y Presidente de su Real Audiencia, reemplazando en el cargo a Ambrosio O'Higgins, quien había sido nombrado virrey del Perú.
Durante su gobierno realizó diversas labores de gestión pública en Santiago de Chile relacionadas con la seguridad, limpieza, ornato, construcción, servicios públicos, y caridad: Adelantamiento de los tajamares del río Mapocho; empedrado de calles; instalación de alumbrado público por medio de faroles de vidrio colgados en pescantes de hierro ubicados en las principales cuadras; provisión de alojamientos para desvalidos (p.ej. Hospital San Juan de Dios). También en la capital, instauró el Tribunal del Consulado, el cual asumió las funciones de juez de las causas comerciales e industriales, siendo su primer síndico el abogado Manuel de Salas.
Recorrió otros lugares de Chile, donde también mandó ejecutar trabajos similares a los de la capital, como la construcción de varias iglesias.
Escudo de armas de Gabriel de Avilés y del Fierro, IV Marqués de Avilés, que utilizó como virrey del Río de la Plata.
En 1799 Avilés marchó a Buenos Aires como Virrey del Río de la Plata. Desde su puesto fomentó el desarrollo de las poblaciones fronterizas con los indígenas; suprimió las encomiendas de guaraníes, a los que liberó y entregó la propiedad de las tierras; organizó expediciones a las salinas para la obtención de sal; creó la Escuela de Náutica; y promovió la publicación del Telégrafo Mercantil, primer periódico de Buenos Aires.
El 20 de junio de 1800 fue nombrado Virrey del Perú por el rey Carlos IV, por fallecimiento de O'Higgins, aunque no ocupó el cargo hasta el año siguiente.
En esta segunda etapa en Perú, Avilés residió como virrey, en la ciudad capital Lima. Dedicaba gran parte de su tiempo a asuntos religiosos, por lo que era conocido popularmente como el "virrey devoto". Contrajo matrimonio con la dama limeña Mercedes Risco y Ciudad, apodada "la santa virreina", junto a la que sufragó diversas obras de caridad, como el hospital del Refugio para mujeres.
Su labor al frente del gobierno fue semejante a la de sus dos anteriores destinos. Durante el mismo se creó mediante Real Cédula la gobernación de Maynas, 15 de julio de 1802, y se incorporó Guayaquil al virreinato.
Tras cesar en el cargo en julio de 1806, Avilés se quedó a vivir en Lima. Establecido en el pueblo de la Magdalena cercano a la ciudad, en 1807, fallecida su esposa y sin hijos, se trasladó a Arequipa, donde permaneció hasta 1810. Ese año decidió volver a España pero enfermó durante el viaje y murió en Valparaíso en septiembre.
El marquesado de Avilés pasó a su hermano menor, a cuya muerte se extinguió por falta de descendientes.