Gilmartin, 30 år, har skrivit på ett hemligt avtal efter att ha lämnat Hornets, där han misslyckades med att spela en första lagmatch på tre år.
Hans senaste senior match i England kom för Plymouth i januari 2013.
Keeper Brill, 31, gick med i Colchester i januari på en kortsiktig affär och avvisade erbjudandet om ett nytt kontrakt.
Den tidigare Luton, Barnet och Oldham spelaren fann sig själv som nummer två till Sam Walker, som spelade varje liga spel förra säsongen.
Gilmartin kommer att coacha väktare Walker och Dillon Barnes, med Ademola Bankole lämnar rollen efter mer än nio år på klubben.
Hitta alla de senaste fotbollsöverföringarna på vår dedikerade sida.
Colchester har undertecknat målvakt Rene Gilmartin som en spelare-coach efter hans release av Watford, och bekräftade Dean Brill kommer inte att återvända.