Гилберт родился в Бостоне, закончил Гарвардский и Кембриджский университеты, после чего работал в Гарвардском университете. Вместе с Аланом Мексемом разработал новый метод секвенирования ДНК. В 1979 году вместе с Фредериком Сенгером получил премию Луизы Гросс Горвиц. В следующем 1980 году вместе с тем же Сенгером Гилберт получил Нобелевскую премию по химии за метод секвенирования ДНК, которую они разделили с Полом Бергом. Гилберт первый предложил термин гипотеза «мира РНК» о происхождении жизни, которую впервые высказал Карл Вёзе в 1967 году.