Lambert Wilson estudou atuação no Drama Centre em Londres.

Fluente em inglês, fez sua estreia no cinema aos vinte e dois anos em Five Days One Summer (1981), de Fred Zinnemann, contracenando com Sean Connery. Em seguida, trabalhou com muitos dos mais prestigiados diretores autores da França, interpretando papéis principais em La Femme Publique (1983), de Andrzej Zulawski, Rouge Baiser (1984), de Véra Belmont, Rendez-vous (Seleção Oficial de Cannes e vencedor do Prêmio de Melhor Diretor, 1984), de André Téchiné, La Storia (1985), de Luigi Comencini, Le Sang des Autres (1987), de Claude Chabrol, Chouans (1987), de Philippe de Broca, e The Belly of an Architect (1987), de Peter Greenaway. Estrelou a estreia na direção de longas-metragens de uma companhia de repertório, La Vouivre (1988), e ganhou o Prêmio Jean Gabin por sua atuação em Winter '54 (1989), de Denis Amar. Outros trabalhos no cinema incluem Jefferson in Paris (1994), de James Ivory, contracenando com Nick Nolte e Gwyneth Paltrow, e The Leading Man (1996), de John Duigan, com Thandie Newton e John Bon Jovi. Fez quatro filmes com Alain Resnais: Same Old Song (1997), Not on the Lips (2003), Private Fears in Public Places (2006) e You Ain't Seen Nothing Yet (2012), e trabalhou com Jacques Doillon em Trop (peu) d'amour (1997), com Deborah Warner em The Last September (1998), com Maggie Smith, Fiona Shaw, Jane Birkin e Michael Gambon, e estrelou Combat d'amour en songe (2000), de Raúl Ruiz.

Seus trabalhos mais recentes em língua inglesa incluem Matrix Reloaded e Matrix Revolutions (2001), dos irmãos Wachowski, Catwoman (2004), de Pitof, com Halle Berry e Sharon Stone, Sahara (2005), de Breck Eisner, Flawless (2006), de Michael Radford, com Demi Moore e Michael Caine, e Babylon A.D. (2007), de Mathieu Kassovitz, com Vin Diesel e Charlotte Rampling. Acabou de estrelar três produções internacionais: Posthumous, de Lulu Wang, com Jack Huston e Britt Marling; 5 to 7, de Victor Levin, com Anton Yelchin, Glenn Close e Frank Langella; e Suite Française, com Michelle Williams, Kristin Scott Thomas e Matthias Shoenaerts, todas com lançamento previsto para 2014.

Destaques de sua filmografia francesa mais recente incluem: Palais Royal! (2004), de Valérie Lemercier; Of Gods and Men (2009), de Xavier Beauvois, Seleção Oficial de Cannes e vencedor do Grand Prix do Júri; The Princess of Montpensier (2009), de Bertrand Tavernier; Le Marsupilami (2011), de Alain Chabat; e Cycling with Moliere (2012), de Philippe Le Guay.

No verão de 2013, interpretou o papel principal em Barbecue (2014), de Eric Lavaine, contracenando com Florence Foresti, Franck Dubosc, Guillaume de Tonquédec, Lionel Abelanski, Jérôme Commandeur, Valérie Crouzet, Sophie Duez e Lysiane Meis.

Lambert Wilson é Chevalier e Officier des Arts et des Lettres e Chevalier e Officier de l'Ordre National du Mérite.