Ламбер Вильсон родился 3 августа 1958 года в коммуне Нёйи-сюр-Сен, Франция. Его отеч - Жорж Вильсон, актер и режиссер Национального народного театра. Одинаково хорошо говорящий по-английски и по-французски, Ламбер вырос в театральной среде. С 1974 по 1978 год он учился актерскому мастерству, музыке и пению в лондонской театральной школе «Center Drama».

Кинодебют Вильсона состоялся в 1977 году в фильме Фреда Циннемана «Джулия», главные роли в котором исполнили Ванесса Редгрейв и Джейн Фонда. В 1982 году Ламбер Вильсон принял участие в картине Циннемана «Пять летних дней», где также снялся Шон Коннери. Широкую известность Вильсону принесла романтическая комедия «Бум-2», где он исполнил роль Феликса - одного из претендентов на сердце юной Вик, в исполнении Софи Марсо.

После этого Ламбер Вильсон появился в фильмах режиссеров Андре Тешине «Свидание», Клода Шаброля «Чужой кровью», Анджея Жулавского «Публичная женщина» и Бенуа Жако «Тело и собственность». Ламбер Вильсон одинаково органично смотрелся как в костюмных драмах: «Шуаны», «Джефферсон в Париже», «Непредсказуемая природа реки», так и в сложных авторских проектах: «Бесы» Анджея Вайды, «Живот архитектора» Питера Гринуэя.

Некоторое время Ламбер Вильсон эксплуатировал образ юного героя-любовника, однако в 1988 году вышел за рамки надоевшего амплуа, сыграв главную роль в биографической драме «Зима 54, аббат Пьер». Свою страсть к пению Ламбер Вильсон смог реализовать в музыкальных комедиях Алена Рене «Знакомая песня» 1997 года и «Только не в губы» 2003 года.

В 2000 году Ламбер Вильсон изобразил пародию на самого себя в картине «Светские львы», а в 2005 году появился в роли принца-грубияна Арно в комедии Валери Ремерсье «Королевский дворец!». За роль католического священника и депутата парламента, возглавлявшего Ассоциацию в защиту обездоленных и бездомных, Ламбер Вильсон был награжден премией имени Жана Габена.

Ламбер несколько раз появлялся в голливудских фильмах, где чаще всего играл бессовестных злодеев. Именно в таком амплуа его можно увидеть в фантастических блокбастерах «Матрица: Перезагрузка» и «Матрица: Революция» 2003 года, а также в экранизации комиксов «Женщина-кошка» в 2004 и приключенческом фильме «Сахара» в 2005 году.

В 2008 году Ламбер Вильсон исполнил роль заключенного инопланетной тюрьмы в космической фантазии Марка Каро «Данте 01», а также снялся в научно-фантастической драме Матье Кассовица«Вавилон Н. Э.» вместе с Вином Дизелем и Жераром Депардье. В том же году он принял участие в триллере  «Большое алиби» и комедии «Как все». В 2010 году Ламбер Вильсон исполнил главную роль в картине «О богах и людях», получившей гран-при Каннского кинофестиваля.

Среди недавних работ Вильсона - историческая драма «Принцесса де Монпансье» 2010 года и криминальная комедия «Имоджен МакКартри». - Я считаю, что любая роль приходит к актеру только тогда, когда персонаж уже живет в нем, - говорит Ламбер Вильсон. – Например, монах, которого я сыграл в «Богах и людях», существовал во мне еще до того, как Ксавье Бовуа предложил мне эту роль. Во мне есть и клоуны, и трагические герои. В жизни я ни то и ни другое, но знаю, как разбудить всех этих людей, если понадобится.

Вильсон также принял участие в сериях рекламы бренда одежды «Calvin Klein» и в рекламе парфюмерного бренда «Eternity» совместно с моделью Кристи Тёрлингтон в 1991 году. 2 января 2006 года награжден орденом Искусств и Литературы офицерской степени. В 2015 году выступил ведущим церемоний открытия и закрытия Каннского кинофестиваля.

Как режиссер он ставил пьесы «Les Caprices de Marianne» Альфреда де Мюссе в парижском театре «Bouffes du Nord» и «Береники» Жана Расина в оперном театре в городе Авиньон и в Национальном театре Шайо, который разместился в правом крыле дворца Шайо на площади Трокадеро в Париже.