Lambert Wilson est le fils de l'acteur et metteur en scène Georges Wilson.
Parlant aussi bien français qu'anglais, Lambert Wilson baigne dès son plus jeune âge dans le milieu théâtral. Il suit de 1974 à 1978 une formation d'art dramatique au Center Drama de Londres, où il apprend le métier d'acteur mais aussi le chant et la musique. En 1977, il apparaît dans Julia de Fred Zinnemann qui le dirigera à nouveau face à Sean Connery dans Cinq jours ce printemps-là (1983). Le grand public, lui, apprend à le connaître à partir de La Boum 2 (1982), comédie de Claude Pinoteau dans laquelle il joue un prétendant de la jeune Vic (Sophie Marceau).
Dès lors, il suscite l'intérêt de cinéastes aussi talentueux que André Téchiné (Rendez-vous, 1984), Claude Chabrol (Le Sang des autres, id.), Andrzej Zulawski (La Femme publique, id.) et Benoît Jacquot (Corps et biens, 1986). Aussi bien à l'aise dans des films d'époque (Chouans !, Jefferson à Paris, Les Caprices d'un fleuve) que dans des oeuvres exigeantes (Le Ventre de l'architecte, Les Possédés), Lambert Wilson tente de briser son image d'éternel jeune premier romantique en perçant le mystère de La Vouivre (1988), film réalisé par son père, et en prêtant ses traits à l'Abbé Pierre dans Hiver 54 (1989), une performance qui lui vaut le Prix Jean Gabin.
Autre pêché mignon de l'acteur : la chansonnette qu'il aime pousser sous la houlette d'Alain Resnais dans On connaît la chanson (1997) et Pas sur la bouche (2003). Dans les années 2000, Lambert Wilson cède aux sirènes de la comédie populaire en s'autoparodiant en dandy de la Jet Set (2000) et en jouant les princes goujats dans Palais royal ! (2005) de Valérie Lemercier. Parallèlement, il entame avec brio une carrière hollywoodienne, incarnant la plupart du temps des personnages machiavéliques dans des superproductions telles que Matrix reloaded (2003), Matrix Revolution (id.), Catwoman (2004) ou le film d'aventure Sahara (2005). Relevant tous les défis, il prête également sa voix aux films d'animation Souris City (2006) et Tous à l'Ouest : une aventure de Lucky Luke (2007).
En 2008, l'acteur a un agenda des plus chargés et continue de surprendre avec sa prestation de détenu possédé dans le futuriste Dante 01 (2008) de Marc Caro. Il reste dans l'univers de la science-fiction en enchaînant avec Babylon A. D. de Mathieu Kassovitz dans lequel il côtoie Vin Diesel, Michelle Yeoh ou encore Gérard Depardieu. Wilson passe par la case thriller, en interprétant le personnage de Pierre Collier dans Le Grand alibi de Pascal Bonitzer, avant de revenir à la comédie pour le premier long métrage de Vincent Garenq, Comme les autres et l'Imogène McCarthery (2010) d'Alexandre Charlot.
En 2010, au 63e Festival de Cannes, l'acteur fait sensation dans son rôle du frère Christian dans le film Des hommes et des dieux de Xavier Beauvois, récompensé par le Grand prix du jury avant d'effectuer un changement de registre pour le moins inattendu deux ans plus tard pour le film A l'aveugle, dans lequel il se glisse dans la peau d'un serial killer machiavélique. Dirigé par Xavier Palud, c'est un Lambert Wilson méconnaissable que l'on aperçoit donner la réplique à Jacques Gamblin dans cet inquiétant thriller. Toujours en 2012 et à nouveau dans une toute autre thématique, le comédien rejoint le casting 100% comique de Sur la piste du Marsupilami, l'adaptation filmique de la célèbre bande dessinée, avec Alain Chabat derrière la caméra.
Actif, Lambert Wilson poursuit avec les comédies Alceste à bicyclette en 2013 et Barbecue en 2014. Cette même année, il endosse la prestigieuse fonction de maître de cérémonie au festival de Cannes. L'année suivante, le comédien incarne Barsac dans Tout de suite maintenant, drame de Pascal Bonitzer, avant de prêter sa voix suave à l'ours Baloo dans le blockbuster Disney Le Livre de la jungle. L'acteur passe ensuite de la comédie populaire avec La Vache à la grosse production française ambitieuse avec L'Odyssée. Dans ce biopic réalisé par Jérôme Salle, Wilson se glisse dans la peau du célèbre commandant Cousteau et donne la réplique à Audrey Tautou et Pierre Niney.
En 2018, Lambert se glisse dans l'uniforme de l'implacable Commandant Rivière dans Volontaire, où il donne la réplique à l'étoile montante Diane Rouxel. La même année, il prend sous son aile un jeune pianiste virtuose dans Au bout des doigts. Deux ans plus tard, le comédien revêt l'uniforme de Charles De Gaulle dans le biopic consacré au célèbre général avant de tourner pour Paul Verhoeven dans le sulfureux Benedetta. Il est aussi à l'affiche du thriller Les Traducteurs, dans lequel il incarne un éditeur sans scrupules.
