Né à Paris en 1958, Lambert Wilson suit 3 ans d'études théâtrales au Drama Centre de Londres de 1975 à 78. Fred Zinnemann lui confie son premier grand rôle cinématographique dans Five Days one summer (1981) aux côtés de Sean Connery, après l'avoir fait débuter à l'écran dans Julia (1977) aux côtés de Jane Fonda. Lambert a été l'interprète de Andrzej Zulawski (La Femme Publique, 1983), Véra Belmont (Rouge Baiser, 1984, Marquise, 1996), André Téchiné (Rendez-vous, 1984), Luigi Comencini (La Storia, 1985), Claude Chabrol (Le Sang des Autres, 1987), Philippe de Broca (Chouans, 1987), Andrzej Wajda (Les Possédés, 1987), Peter Greenaway (Le Ventre de l'Architecte, 1987), Carlos Saura (El Dorado, 1987), de Georges Wilson (La Vouivre, 1988), de Denis Amar (Hiver 54, 1989, rôle pour lequel il reçoit le prix Jean Gabin). Il joue sous la direction de Richard Dembo (L'Instinct de l'Ange, 1992), de James Ivory (Jefferson in Paris, 1994), de John Duigan (The Leading man, 1996), d'Alain Resnais (On connaît la chanson, 1997 ; Pas sur la bouche, 2003 ; et Coeurs, 2006), de Jacques Doillon (Trop (peu) d'amour, 1997), de John Duigan (The Leading man, 1997), de Deborah Warner (The last September, 1998), de Fabien Onteniente (Jetset, 1999), de Raùl Ruiz (Combat d’amour en songe, 2000).

Plus récemment, il a travaillé avec Jean-Paul Lilienfeld (H.S, 2000), les Frères Wachowski (Matrix II – Matrix III, 2001), Richard Donner (Timeline, 2002), Valéria Bruni-Tedeschi (Il est plus facile pour un chameau, 2002), René Manzor (Dédales, 2002), Nadine Trintignant (Colette, 2003), Pitof (Catwoman avec Halle Berry et Sharon Stone, 2004), Sophie Fillieres (Gentille, 2004), Valérie Lemercier (Palais Royal !, 2004), Diane Kurys (l’Anniversaire, 2005), Breck Eisner (Sahara, 2005), Michael Ratford (Flawless avec Demi Moore et Michael Caine, 2006), Marc Caro (Dante 01, 2006), Mathieu Kassovitz (Babylon A.D, 2007), Pascal Bonitzer (Le Grand Alibi, 2007), Vincent Garenq (Comme les autres, 2007) et avec Thomas Gilou (Victor, 2008).

Au théâtre, Lambert Wilson travaille avec Lucian Pintilié (Les Derniers de Maxime Gorki, 1978), Marcel Maréchal (Graal Théâtre de Florence Delay, 1979), Jean-Louis Barrault (L'Amour de l'Amour de Jean-Louis Barrault, 1981), Pierre Boutron (Leocadia de Jean Anouilh, 1984), Simon Callow (La Machine Infernale de Jean Cocteau avec Maggie Smith, à Londres, 1986), Antoine Vitez (La Célestine de Fernando de Rojas avec Jeanne Moreau, 1989), Georges Wilson (Eurydice de Jean Anouilh avec Sophie Marceau, 1991 et Ruy Blas de Victor Hugo, 1992), Bernard Murat (Pygmalion de George Bernard Shaw, 1993), Sean Mathias (A little Night Music de Stephen Sondheim au National Theatre de Londres, 1996), Harold Pinter (Ashes to Ashes, 1998), Jacques Lassalle (La Controverse de Valladolid de Jean-Claude Carrière, 1999) et Hélène Vincent (Les Créanciers d’August Strindberg, 2005).

Il a mis en scène et a interprété Les Caprices de Marianne d'Alfred de Musset (1994) au Théâtre des Bouffes du Nord et en tournée dans toute la France. Dans le cadre du festival d’Avignon 2001, il met en scène et interprète Bérénice de Jean Racine, avec Kristin Scott-Thomas et Didier Sandre (tournée au Théâtre National de Chaillot puis dans toute la France). En 2008, Lambert met de nouveau en scène Bérénice, avec Carole Bouquet et Georges Wilson dans le rôle de Paulin, au Théâtre des Bouffes du Nord à Paris.

Sa formation théâtrale le pousse parallèlement à travailler le chant. Il étudie le répertoire de la comédie musicale américaine et enregistre un album consacré aux grands standards du genre, Musicals (1989) chez EMI, dirigé par John Mc Glinn.

En 1990, Lambert Wilson présente au Casino de Paris, puis en tournée en France, un spectacle musical, Lambert Wilson Chante, mis en scène par Jean-Claude Penchenat et Bruno Fontaine à la direction musicale. Avec ce dernier, il enregistre un album des plus belles chansons du cinéma français (Démons et Merveilles, Virgins Classics, 1996), qui donne naissance à un spectacle du même nom, mis en scène par Tilly et présenté au Théâtre des Abbesses, puis lors d’une tournée en France et à l’étranger (1997). En 2004, il produit et interprète le spectacle musical Nuit Américaine, mis en scène par Hélène Vincent et demande à Régis Huby de prendre la direction musicale (présenté à la Cité de la musique de Paris, puis à l’Opéra Comique). Il part ensuite en tournée dans toute la France. Il sort en 2007 son premier album de variétés, intitulé Loin (Virgin Classics).

En décembre 2006, Lambert Wilson est dirigé par Robert Carsen, dans la comédie musicale Candide de Léonard Bernstein. Cette comédie musicale est présentée lors de sa création au Théâtre du Châtelet à Paris puis à la Scala de Milan (2007) et sera présentée au Japon (2009).

Lambert Wilson participe en tant que récitant à de nombreux spectacles mêlant textes et musiques : La Sonate de Vinteuil de Marcel Proust, Les Nuits d’Alfred de Musset, Les Lettres à Gala de Paul Eluard etc. Mais aussi à des oeuvres telles que Peer Gynt d’Edvard Grieg, Pierre et le Loup de Sergeï Prokofiev, L'Histoire du Soldat et Oedipus Rex d’Igor Stravinsky, Lélio d’Hector Berlioz, Manfred de Robert Schuman, La Danse des Morts d’Arthur Honegger et Darius Milhaud, Le Roi David d'Arthur Honegger, sous la baguette de Mstislav Rostropovitch, Seiji Ozawa, Michel Corboz, Franz Welser-Most, Marek Janowski, Georges Prêtre, Kurt Masur, Friedemann Layer…
Il enregistre la plupart d’entre elles sous le label EMI.

En 1998, Lambert Wilson tient le rôle de Saint Sébastien dans Le Martyre de Saint Sébastien de Claude Debussy sous la direction de Georges Prêtre au Musikverein de Vienne, avec le Wiener Philharmoniker ainsi qu'à la Scala avec la Filarmonica della Scala (1999), puis à Paris sous la direction de Kurt Mazur au Théâtre des Champs Elysées.