Selepas menerima ijazah kedoktoran, Gilbert bekerja sebagai penyelidik pasca-kedoktoran dalam bidang perindustrian di Yayasan Penyelidikan Industri Pembuatan Bir (Brewing Industry Research Foundation). Setelah itu, beliau berpindah ke Leicester Biocentre. Pada tahun 1990, Gilbert menyertai Delta Biotechnology, sebuah syarikat biofarmasi yang menghasilkan ubat-ubatan di bandar Nottingham.[7][9]

Pada tahun 1994, Gilbert kembali bekerja dalam bidang akademik, dengan menyertai sebuah makmal bernama Adrian V. S. Hill. Penyelidikan awal yang dijalankannya ialah mempertimbangkan interaksi perumah-parasit dalam malaria.[7] Pada tahun 2004, beliau menjadi jurucakap ahli vaksin di Universiti Oxford.[7] Pada tahun 2010, Gilbert dilantik sebagai profesor di Jenner Institute. Mendapat sokongan dari Wellcome Trust, Gilbert mula mengendalikan rekaan dan membuat novel tentang vaksinasi influenza.[7] Penyelidikam yang dijalankan oleh Gilbert dengan mempertimbangkan pembangunan dan ujian praklinikal vaksinasi virus, menanamkan protein patogen di dalam virus.[10][11] Vaksinasi virus ini mencetuskan tindak balas sel T, yang dapat digunakan untuk melawan pelbagai penyakit seperti virus, malaria, dan kanser.[10]

Gilbert terlibat dalam pengembangan dan ujian klinikal dari vaksin selesema universal. Tidak seperti vaksinasi konvensional, vaksin selesema universal tidak merangsang penghasilan antibodi, melainkan sistem kekebalan tubuh untuk membuat sel T yang spesifik untuk influenza.[12] Antibodi tersebut memanfaatkan salah satu protein inti (nukleoprotein dan protein matriks 1) di dalam virus Influenza A, bukan protein luaran yang ada di lapisan luar.[13] Kerana terdapat sistem kekebalan tubuh yang melemah seiring dengan peningkatan usia, maka vaksinasi konvensional tidak diharuskan untuk para pesakit.[13]

2008 merupakan tahun pertama Gilbert melakukan ujian klinikal, dengan memantau gejala harian pesakit influenza menggunakan virus Influenza A subjenis H3N2.[13][14] Hasil kajian pertamanya ini, mendapati terdapat rangsangan sel T sebagai respons terhadap virus selesema, dan bahawa rangsangan ini dapat melindungi seseorang dari penyakit selesema.[13] Penyelidikan itu menemui hasil bahwaa vektor adenoviral ChAdOx1 dapat digunakan untuk membuat vaksinasi yang melindungi manusia dari sindrom pernafasan Timur Tengah (MERS) yang ada pada tikus dan mampu menginduksi tindak balas imun terhadap MERS.[15][16] Vektor yang sama juga digunakan untuk membuat vaksin melawan Nipah yang berkesan terdapat di hamster (tetapi tidak pernah terbukti ada pada manusia),[17] selain vaksin berpotensi untuk Demam Lembah Rift yang dapat melindungi kerbau, kambing, dan lembu (tetapi tidak terbukti pada manusia).[18]

Gilbert kemudian terlibat dalam pembangunan vaksinasi baru untuk melindungi manusia dari koronavirus sejak penularan pandemik COVID-19 .[19][20][21] Beliau menjadi peneraju dalam bidang ini untuk mencari calon vaksin baru, bersama dengan Andrew Pollard, Teresa Lambe, Sandy Douglas, Catherine Green dan Adrian Hill.[22] Seperti sebelumnya, vaksin COVID-19 menggunakan vektor adenoviral, yang dapat merangsang tindak balas sistem kekebalan tubuh terhadap lonjakan protein koronavirus.[19][20] Rancangan awal ujian klinikal pada haiwan dilakukan pada awal Macm2020, dan kemudian merekrut 510 peserta manusia untuk tujuan ujian percubaan fasa I / II yang bermula pada 27 Mac 2020.[23][24][25] Pada September 2020, Gilbert menyatakan bahawa vaksin AZD1222, telah dihasilkan oleh AstraZeneca sementara ujian percubaan fasa III sedang dijalankan pada September 2020.[26] Hasil penyelidikam vaksin tersebut, Gilbert tampil di majalah The Times bertajuk Science Power List terbitan Mei 2020.[27]