Philadelphiai művészcsaládból származott, apja színész, anyja táncosnő volt. A kis Sidney már négyéves korában a New York-i Zsidó Színház előadásain szerepelt, és rádiósorozatokban is foglalkoztatták. 1935-től a Broadway számos darabjában fellépett, a filmvásznon 1939-ben a One Third of a Nation című filmben mutatkozott be.
A második világháború idején, Amerika hadba lépése után jelentkezett a seregbe, 1941 és 1946 között Indiában és Burmában szolgált egy radarállomáson. Hazatérve saját színtársulatot alapított azoknak a színészeknek a közreműködésével, akik elégedetlenek voltak a Sztanyiszlavszkij-módszert követő Lee Strasberg stúdiójával. 1950-ben hátat fordított a színháznak, a CBS televíziós társaságnál kezdett dolgozni, kezdetben segédrendezőként, később önálló rendezőként. E minőségében mintegy kétszáz műsor fűződik nevéhez, és producerként is tevékenykedett.
Első filmjét, a Tizenkét dühös embert Reginald Rose forgatókönyvéből, Henry Fonda főszereplésével készítette. A mindvégig zárt térben játszódó, rendkívül feszült atmoszférájú film nem várt sikert aratott, több Oscar-jelölést is begyűjtött, és elnyerte a berlini filmfesztivál fődíját, az Arany Medvét. Már ebben a filmben megfigyelhetők azok a motívumok, amelyek Lumet későbbi pályáját is jellemzik: az érzelmi töltés, amely sosem csap át szentimentalizmusba, a hatásos meseszövés, az intim hangulatok ábrázolása, az erős drámaiság, a gondolatiság, a markáns színészi játék és a kamarajellegű színterek. Nem mellékesen precizitása is megmutatkozott: egy centtel sem lépte túl a 350 ezer dolláros költségvetést, a forgatás az előírt 20 nap helyett csak 19-ig tartott.
A sikeres kezdetet még sikeresebb folytatás követte, hiszen megnyílt előtte az út Hollywoodba. Színházi múltját nem tagadva kezdetben irodalmi műveket adaptált vászonra: Marlon Brando főszereplésével Tennessee Williams Orfeusz alászáll című drámáját (1960), majd Arthur Miller Pillantás a hídról és Eugene O’Neill Utazás az éjszakába című darabját.
A hatvanas-hetvenes években számos máig emlékezetes film került ki műhelyéből. Háborús témához nyúlt A domb című Ray Rigby-regény feldolgozásával, amelyben Sean Connery nyújtott fantasztikus színészi játékot, majd 1973-ban jött a megtörtént esetet feldolgozó Serpico Al Pacinóval, aki az 1975-ös Kánikulai délutánban ismét nagyot alakított. 1974-ben készült a parádés színészi gárdát felvonultató Gyilkosság az Orient-expresszen, a filmtörténet talán legszórakoztatóbb Agatha Christie-adaptációja, majd a Hálózat, az amerikai média gyilkos szatírája, amely a tíz jelölésből négy Oscar-díjat kapott, Lumet pedig elnyerte a legjobb rendezőnek járó Golden Globe-díjat. Az Oscar-gálán a film a négy színészi kategóriából hármat elvitt, a férfi főszereplő, Peter Finch elsőként kapott posztumusz Oscar-díjat a színészek közt, Beatrice Straight pedig mindmáig a legrövidebb, ötperces alakításért vehette át a legjobb mellékszereplőnek járó szobrocskát. Lumet 1977-ben Peter Shaffer Equus című színművének adaptációját készítette el Richard Burton főszereplésével.
A nyolcvanas évektől sem témaválasztásában, sem alkotói módszereiben nem tudott megújulni, ebből a korszakából még így is figyelemre méltó a Családi ügy, az Idegen közöttünk, a Manhattanre leszáll az éj, a Védd magad!, valamint legutolsó filmje, a Mielőtt az ördög rád talál. 2001-ben a 100 Centre Street című sorozat erejéig ismét visszatért a televízióhoz, a legifjabb rendezőgenerációnak a Hogyan készül a film? című könyvében adta át tapasztalatait.
Sidney Lumet pályafutása során több mint félszáz filmet forgatott. 1993-ban az Amerikai Rendezők Céhe életműdíjjal ismerte el. Négy alkalommal jelölték a legjobb rendezőnek járó Oscar-díjra, egyszer pedig forgatókönyvíróként (A város hercege, 1981) kapott jelölést, a kitüntetést azonban egyszer sem kapta meg, ám – mintegy kárpótlásként – 2005-ben életműdíjat adományozott neki az amerikai filmakadémia. Rendezőként öt filmet jegyez, amelyet felvettek az amerikai Kongresszusi Könyvtár által létrehozott filmregiszterbe, és az amerikai filmörökség részeként tartanak számon.
Magánélete nem volt épp unalmasnak nevezhető, négy feleséget „fogyasztott el”, harmadik feleségétől született lányai, Amy és Jenny a filmiparban dolgoznak – Amy hangmérnök, Jenny pedig színésznő, forgatókönyvíró lett, akit több alkalommal is instruált a kamera mögül.
Lumet, akit a 20. század második felének legnagyobb filmrendezői között tartanak számon, 2011. április 9-én hunyt el rákbetegségben manhattani otthonában.
