Graduat el 1934 en química a la Universitat de Berkeley, es doctorà en física teòrica sota la direcció de Julius Robert Oppenheimer el 1938 amb una tesi sobre les propietats electromagnètiques dels sistemes nuclears. Posteriorment, fou professor a les universitats de Columbia (1938-51), Stanford (1951-56), Oxford (1956-62), Yale (1962-74) i Arizona (1974-2002). Estudià les forces electromagnètiques entre les partícules elementals i el 1947 descobrí l’efecte que duu el seu nom (desplaçament de Lamb). Els seus treballs sobre l’estructura íntima de l’hidrogen, mitjançant l’espectroscòpia hertziana, li valgueren l’any 1955 el premi Nobel de física, compartit amb Polykarp Kusch .