Родился в семье горняка. Закончил Дюссельдорфскую академию художеств. Представленная Парижском салоне 1910 года скульптура Лембрука «Стоящая женская фигура» принесла автору международную известность. В этой его работе чувствуется воздействие на мастера античной традиции ваяния. Свободное, живое строение тела и законченная, в своих контурах и объёме совершенная и пропорциональная пластика возводят его статую в ранг вечных, вневременных шедевров ваяния.
Значительным художественное влияние оказало на Вильгельма Лембрука творчество Аристида Майоля и Жоржа Минне, однако уже к 1911 году мастер вырабатывает свой собственный стиль. О своём понимании художественной гармонии скульптор писал следующее: «Всё в искусстве подчиняется мере. Мера на меру — означает всё. Мера, или у фигур — пропорции определяют впечатление, определяют действие, определяют силуэт скульптуры и всё остальное. Поэтому хорошая скульптура должна быть создана как хорошая композиция — как проектируемое здание, где также каждый размер измеряется разумной мерой». На основании этих взглядов при создании своих статуй Лембрук в первую очередь ориентировался на классическую систему пропорций. Замечательны также рисунки и гравюры, оставленные после себя художником. В 1919 году Лембрук покончил жизнь самоубийством.
Работы Лембрука демонстрируются в художественном музее Дуйсбурга, носящем его имя и размещающемся в здании, построенном его сыном, признанным мастером музейной архитектуры Манфредом Лембруком.