Gilberto syntyi New Yorkissa ja aloitti musiikillisen uransa Brasiliassa Rio de Janeirossa. 11-vuotiaana hän esiintyi äitinsä Miúchan albumilla Miúcha & Antônio Carlos Jobim (1977). 9-vuotiaana hän esiintyi äitinsä ja jazz-saksofonisti Stan Getzin kanssa jazzfestivaaleilla Carnegie Hallissa, New Yorkissa. Hän teki yhteistyötä lukuisten muusikkojen kanssa ennen ensimmäisen oman levytyksensä Bebel Gilberto julkaisua vuonna 1986. Vuonna 1991 hän muutti takaisin New Yorkiin, jossa hän yhä asuu.