Szegeden született, tanulmányait az itteni piarista gimnáziumban folytatta. Érdeklődését a fotózás iránt Dulovits Jenő Művészi fényképezés című könyve keltette fel, amelyet betegen, az ágyban fekve olvasott el, s édesapja gépével maga is fényképezni kezdett. A legendás Illés György tanítványaként 1955-ben végzett a budapesti Színház- és Filmművészeti Főiskola operatőr szakán. Több főiskolai társával végigfilmezték az 1956-os forradalom eseményeit, az országot novemberben hagyta el Kovács Lászlóval, táskájukban csaknem tízezer méternyi filmfelvétellel.
A két barát az Egyesült Államokban telepedett le, Zsigmond Vilmos 1962-ben kapott amerikai állampolgárságot. Kezdetben laborokban dolgozott, fotózott, oktatófilmeket készített, dokumentumfilmeket és reklámfilmeket, majd kisebb költségvetésű alkotásokat fényképezett. Operatőri látásmódja - a hangulati világítás, az emberi arc középpontba állítása, az emberi történetek bemutatása és a realista ábrázolás - az 1960-as években kibontakozó amerikai független filmes mozgalom, az Új Hollywood felé vitte. Elmondása szerint mindig azok a filmek érdekelték, amelyek az emberekről szólnak.
Első jelentősebb munkája a Peter Fonda rendezte A bérmunkás volt 1971-ben, ugyanebben az évben a McCabe és Mrs. Miller című Robert Altman-darab forgatásakor fotós múltját felhasználva laboratóriumi eljárással fakított ki felvételeket, hogy a régi filmek hangulatát idézze. Ezt az eljárást alkalmazta később A madárijesztőben és A szarvasvadászban is.
Az 1970-es évek amerikai újhullámos filmjei mellett olyan hollywoodi produkciókat is fényképezett, mint a Steven Spielberg rendezte Sugarlandi hajtóvadászat (a történet feszültségének fokozásához nagyban hozzájárultak kézikamerás felvételei) és a Harmadik típusú találkozások. Utóbbiért 1977-ben operatőri Oscar-díjat nyert, mert sajátos technikájával a digitális effektusok korát megelőzve volt képes meghökkentő látványt nyújtani. Ő fényképezte a vietnámi háború borzalmait és utóhatását bemutató A szarvasvadászt, amelyért - bár jelölték - Oscar-díjat nem kapott, de átvehette a Brit Filmakadémia (BAFTA) elismerését. Ő maga ezt a filmjét tartja a legjobbnak, jóllehet mindet szereti, mert mindegyiknek "volt értelme". Azt vallja, hogy minden film más, a stílust a történet határozza meg, amely a rendezővel és a díszlettervezővel folytatott megbeszélések során alakul ki.
Zsigmond Vilmos több műfajban kipróbálta magát: fényképezett zenés filmet (a The Band búcsúkoncertjét megörökítő Az utolsó valcert), vígjátékot (Az eastwicki boszorkányok, Maverick), az HBO számára egy Sztálinról szóló életrajzi filmet, amelyért 1992-ben Emmy-díjat kapott, erotikus thrillert (Sliver, Vágyak vonzásában), többször dolgozott Woody Allennel (Melinda és Melinda, Kasszandra álma). 2007-ben negyedik alkalommal jelölték Oscar-díjra a Brian De Palma rendezte a Fekete Dália fényképezéséért (1985-ben A folyó című drámáért nominálták). Az elmúlt években dokumentumfilmet (God the Father) és játékfilmet (Hat tánclecke hat hét alatt) egyaránt forgatott, dolgozott a televízió számára, s jelenleg is több felkérése van.
A szülőhazájával mindvégig kapcsolatot tartó operatőr 2002-ben fényképezett először magyar filmet: a Bánk bán című Erkel-opera 2002-es filmváltozatáért Káel Csaba rendezővel megosztva megkapta a legjobb operaadaptációért járó díjat a világ egyetlen filmoperatőr fesztiválján, a Cameraimage-n. 2006-ban egyik közreműködője volt A lyukas zászló című 1956-os dokumentumfilmnek, s ő volt az operatőre A halálba táncoltatott lány című, Hules Endre által rendezett filmnek (2011).
A kritikusok által a fények és árnyékok szerelmesének és festőjének nevezett Zsigmond Vilmos saját szavai szerint nem szereti, ha a színek túl sokat beszélnek. Tudását többször is mesterkurzus keretében adta tovább Magyarországon és az Egyesült Államokban. Az operatőröknek azt tanácsolja, hogy a digitálisan rögzített felvétellel is úgy bánjanak, mintha filmszalag lenne. Véleménye szerint a digitális technika még nem éri el a hagyományos film szintjét, és felületességre késztet. Számára viszont mindig az volt a cél, hogy a filmjei szebbek legyenek, mint a valóság.
Zsigmond Vilmos 1999-ben megkapta az Amerikai Filmoperatőrök Társasága (ASC) életmű-kitüntetését. 2000-ben Göncz Árpád köztársasági elnök személyes megbecsülése jeleként elnöki Aranyéremmel tüntette ki, 2001 óta a Corvin-lánc birtokosa, 2004 óta Szeged díszpolgára, ahol mozitermet is elneveztek róla. 2005-ben megkapta a Magyar Operatőrök Társasága életműdíját, a következő évben a Magyar Művészetért Díjat, 2013-ban a Magyar Művészeti Akadémia (MMA) tagjai közé választották. A tavalyi cannes-i filmfesztiválon átvehette a Pierre Angenieux-ről elnevezett operatőri életműdíjat, ősszel a CineFest miskolci nemzetközi filmfesztiválon ismerték el életművét.
Április közepén az ő kiállításával nyílt meg a Budapesti Tavaszi Fesztivál a Ludwig Múzeumban. A június 21-ig nyitva tartó, Fényképezte Zsigmond Vilmos című különleges tárlat látogatói számos eddig még be nem mutatott fotó - köztük fekete-fehér falusi életképek, tájképek, vidéki emberek portréi, forgatások helyszínén ellesett pillanatok - mellett a művész filmes életművéből is láthatnak részleteket.