Lambert Wilson estudió actuación en el Drama Centre de Londres.

Hablante fluido de inglés, debutó en el cine a los veintidós años en Five Days One Summer (1981) de Fred Zinnemann, junto a Sean Connery. Después trabajó con muchos de los directores de autor más prestigiosos de Francia, protagonizando La Femme Publique (1983) de Andrzej Zulawski, Rouge Baiser (1984) de Véra Belmont, Rendez-vous (1984) de André Téchiné (Selección Oficial en Cannes y ganadora del Premio al Mejor Director), La Storia (1985) de Luigi Comencini, Le Sang des Autres (1987) de Claude Chabrol, Chouans (1987) de Philippe de Broca y The Belly of an Architect (1987) de Peter Greenaway. Protagonizó La Vouivre (1988), el debut como director de cine de Georges Wilson, y ganó el Premio Jean Gabin por su actuación en Winter '54 (1989) de Denis Amar. Otros trabajos cinematográficos incluyen Jefferson in Paris (1994) de James Ivory, junto a Nick Nolte y Gwyneth Paltrow, y The Leading Man (1996) de John Duigan, con Thandie Newton y John Bon Jovi. Ha hecho cuatro películas con Alain Resnais: Same Old Song (1997), Not on the Lips (2003), Private Fears in Public Places (2006) y You Ain't Seen Nothing Yet (2012), y ha trabajado con Jacques Doillon en Trop (peu) d'amour (1997), con Deborah Warner en The Last September (1998), con Maggie Smith, Fiona Shaw, Jane Birkin y Michael Gambon, y protagonizó Combat d'amour en songe (2000) de Raúl Ruiz.

Sus trabajos más recientes en inglés incluyen Matrix Reloaded y Matrix Revolutions (2001) de los hermanos Wachowski, Catwoman (2004) de Pitof con Halle Berry y Sharon Stone, Sahara (2005) de Breck Eisner, Flawless (2006) de Michael Radford con Demi Moore y Michael Caine, y Babylon A.D. (2007) de Mathieu Kassovitz con Vin Diesel y Charlotte Rampling. Acaba de protagonizar tres producciones internacionales: Posthumous de Lulu Wang con Jack Huston y Britt Marling, 5 to 7 de Victor Levin con Anton Yelchin, Glenn Close y Frank Langella, y Suite Française, junto a Michelle Williams, Kristin Scott Thomas y Matthias Shoenaerts, todas con estreno previsto en 2014.

Entre los aspectos más destacados de su filmografía francesa más reciente se encuentran: Palais Royal! (2004) de Valérie Lemercier, Of Gods and Men de Xavier Beauvois (Selección Oficial en Cannes y ganadora del Gran Premio del Jurado, 2009), The Princess of Montpensier (2009) de Bertrand Tavernier, Le Marsupilami (2011) de Alain Chabat y Cycling with Moliere (2012) de Philippe Le Guay.

En el verano de 2013, protagonizó Barbecue de Eric Lavaine, junto a Florence Foresti, Franck Dubosc, Guillaume de Tonquédec, Lionel Abelanski, Jérôme Commandeur, Valérie Crouzet, Sophie Duez y Lysiane Meis (2014).

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