Né à Londres de parents comédiens, il sera dès son plus jeune âge, aussi bien au cinéma qu’au théâtre, un acteur enfant célèbre dans son pays. Après avoir travaillé comme assistant-réalisateur dans les années 30, il fait la guerre dans la Royal Air Force avant de rallier le Service cinématographique de l’armée de l’air américaine, pour lequel il réalisera une série de courts métrages documentaires de 1944 à 1946.

Il aborde le long métrage en 1947 et, dans les années 50, il acquiert ses lettres de noblesse en travaillant dans les trois genres spécifiques du cinéma britannique – le policier, la comédie, le film de guerre. Il devient rapidement un réalisateur apprécié des producteurs pour sa capacité à produire un travail de qualité, quel que soit le genre.

Après Alfie le dragueur, son plus grand succès commercial, il est choisi pour diriger le cinquième film de James Bond avec Sean Connery, On ne vit que deux fois, puis deux autres avec Roger Moore, L’espion qui m’aimait et Moonraker. Lewis Gilbert a également signé en 1961, 1971 et 1974, trois films sur un thème commun, celui des amours d’enfants.