Nacido en Hull, fue hijo del ministro religioso Joseph Gilbert y de la escritora Ann Gilbert.
A su regreso a Inglaterra trabajó durante aproximadamente un año como ayudante de su antiguo maestro A. T. Thomson en el University College tras lo que pasó un tiempo estudiando la tintura e impresión en calicó cerca de Mánchester.
Gilbert ocupó el cargo durante cincuenta y ocho años, hasta su muerte el 23 de diciembre de 1901.
En el laboratorio, en colaboración con Lawes, realizó trabajos sobre la aplicación de la química, la meteorología, la botánica, la fisiología vegetal y animal y la geología a los métodos agrícolas.
Gilbert fue elegido miembro de la Royal Society en 1860 y en 1867 recibió su Medalla Real conjuntamente con Lawes.