En 1977, Lambert Wilson débute dans Julia, sous la direction de Fred Zinnemann, qui lui offrira un premier grand rôle cinq ans plus tard dans Cinq jours, ce printemps-là (Five Days One Summer), face à Sean Connery.

En 1979, il débute sa carrière française avec Le Gendarme et les Extra-terrestres, de Jean Girault, dans une scène restée culte face à Maurice Risch. Il poursuit puis en 1984 avec La Femme publique d’Andrzej Żuławski et Rendez-vous d’André Téchiné.

En 1987, il explose avec le film Chouans ! et enchaîne l’année suivante avec Les Possédés ; mais deux longs métrages bien spécifiques lui permettent de s’imposer aux yeux des critiques et du grand public : La Vouivre (1988), adapté et réalisé par son père Georges Wilson, et surtout Hiver 54, l’abbé Pierre (1989), où il prête ses traits à l’Abbé Pierre. Pour cette interprétation saluée par la profession, il reçoit le Prix Jean-Gabin, qui récompense les espoirs du cinéma français et sera nommé aux César.

Lambert Wilson ne cesse alors de se diversifier, passant du film historique en costumes (Jefferson à Paris, 1995) à la comédie musicale (On connaît la chanson, 1997), en passant par la comédie populaire (Jet Set, 2000), le film choral (L’Anniversaire, 2005) ou la comédie décalée (Palais royal !, 2005).

Il est également employé par le cinéma américain : il est le « Mérovingien » dans Matrix Reloaded (2002) et Matrix revolution (id.), puis apparaît aux génériques de Prisonniers du temps (2002) et Catwoman (2003), réalisé par son compatriote Pitof. En 2006, il joue dans le film de science-fiction Dante 01 de Marc Caro. Par ailleurs, il a récemment tourné dans le film d’aventure comique Sur la piste du Marsupilami, où il tient le rôle du général Pochero, revenant de fait aux sources de son jeu d’acteur.

En 2010, il interprète le personnage principal du film Des hommes et des dieux. On apprend la même année au hasard d’une interview que bien que prudent vis-à-vis des religions (« Les religions créent les guerres. La foi engendre de l’amour »), il s’est fait baptiser par l’Abbé Pierre3 pendant le tournage d’Hiver 54. Il s’en explique : « De lui, j’aime toutes les valeurs ».

Lambert Wilson a aussi tourné pour la télévision, notamment en 2004 dans le téléfilm Colette, une femme libre, réalisé par Nadine Trintignant.

Fils de l’acteur et metteur en scène Georges Wilson, Lambert Wilson baigne dès son plus jeune âge dans le milieu théâtral. Il parle français, anglais, italien et espagnol. Lambert Wilson a eu une enfance non pas difficile, mais ballotée, changeant d’école chaque année1. À chaque rentrée des classes, son angoisse était de se faire aimer, accepter, intégrer à la classe et aux autres élèves1. A contrario, il affirme : « J’ai du mal avec les groupes. […] Je fuis les groupes. Ça me rappelle la cour de récré. J’allais toujours dans la direction opposée, car je voulais être un cas particulier »1.

De 1974 à 1978, il suit une formation d’art dramatique au Central Saint Martins College of Art and Design de Londres, où il apprend le métier d’acteur mais aussi le chant et la musique.