1932年出生于美國波士頓。1953年畢業(yè)于哈佛大學(xué)。早年曾攻讀理論物理學(xué)，1957年在英國劍橋大學(xué)獲物理學(xué)博士學(xué)位。1959年起，執(zhí)教于哈佛大學(xué)，1968年任微生物學(xué)教授。從1960年開始，從事核酸結(jié)構(gòu)研究。他運(yùn)用桑格直讀法原理，獨(dú)立地提出更簡便的測定核苷酸順序的方法——化學(xué)降解法。他用化學(xué)反應(yīng)將DNA裁剪成一系列不同長度的核苷酸片斷，它們的一端相同，并標(biāo)有放射性同位素，測定各片斷的長度和另一端最后一個(gè)核苷酸，就能決定DNA相應(yīng)位置上的排列順序。若將測定過的所有片斷再拼接起來，就能知道整個(gè)DNA大分子的結(jié)構(gòu)。吉爾伯特是RNA世界（觀念起源于卡爾·沃斯）一詞的提出者。此外，他也創(chuàng)造了外顯子（exon）與內(nèi)含子（intron）兩個(gè)名詞，來區(qū)分mRNA分子中的兩個(gè)部分。