Filha de João Gilberto e Miúcha, Bebel nasceu em Nova York, onde seus pais moravam. Começou a cantar cedo, participando de coros infantis em discos e musicais como "Saltimbancos" e "Pirlimpimpim". Depois de algumas tentativas de carreira solo no Brasil durante a década de 80, quando compôs ao lado de Cazuza, Dé e outros nomes do pop/rock nacional e chegou a lançar um EP pela Warner (com "Mais Feliz", "Eu Preciso Dizer que Te Amo" e outras), mudou-se para Nova York em 1991. Revezando-se entre os Estados Unidos e a Inglaterra, trabalhou com David Byrne, Arto Lindsay e DJ Towa Tei (do grupo Deee-Lite), sempre procurando fundir sua bossa nova natal a novos processos e concepções musicais.
Seu primeiro disco solo, "Tanto Tempo", foi lançado em 2000 pelo selo Ziriguiboom, da gravadora belga Crammed, e despontou nas paradas de sucesso internacionais da categoria World Music. "Tanto Tempo", produzido pelo iugoslavo radicado no Brasil Suba — que morreu pouco antes do lançamento do disco — traz regravações de clássicos bossanovísticos como "Samba da Bênção" (Baden Powell/ Vinicius de Moraes) e músicas de seu tio Chico Buarque ("Samba e Amor"), além de uma versão produzida por João Donato de "Bananeira" (Donato/ Gilberto Gil) e composições inéditas.
Em 2001, Bebel lança "Tanto Tempo Remixes", uma compilação de remixes, ou reinterpretações, das músicas de "Tanto Tempo". Dentre os artistas que remixaram Bebel está o brasileiro Monoaural de Kassin e Berna Ceppas
Depois de vender mais de um milhão de cópias no mundo e ser ovacionada pela crítica e pelo público internacional, Bebel Gilberto volta à cena com um álbum epônimo. O cd, lançado pela Universal Music, em 2004, contou com produção do inglês Marius de Vries, que já trabalhou com estrelas como Annie Lennox e Madonna. No disco, Bebel mescla instrumentação acústica e recursos eletrônicos refinados, criando uma fusão moderna e sofisticada de Bossa Nova e música pop. Esse trabalho marca a evolução musical da cantora, que mostra também ter conquistado maturidade como compositora, ao co-assinar 12 canções no disco. Entre os destaques do CD estão as faixas “Aganjú," "Every Day You've Been Away" e "Cada Beiju".
Ainda em 2004, Bebel Gilberto recebeu o prêmio britânico Mobo (Music of Black Origin), na categoria World Music. Seu último trabalho é “Bebel Gilberto Remixed”, um álbum que traz versões remixadas de canções do disco “Bebel Gilberto” e seis canções bônus, assinadas por nomes como Tom Middleton, Guy Sigsworth e Telefon, DJs que já trabalharam com Ninie Inch Nails e Björk.
