Уинфорд Ли Льюис родился в семье Джорджа М. Льюиса и Сары Льюис в Гридли, Калифорния. Он был самым младшим из семи детей: у него было шесть братьев и одна сестра. Учился в Стэнфордском университете и окончил его в 1902 году. В 1909 году Льюис получил докторскую степень по химии в Чикагском университете. Он стал профессором химии в Северо-Западном университете до начала Первой мировой войны. Во время войны Льюис служил в химической службе армии США. Именно во время этой службы он повторно открыл отравляющее вещество кожно-нарывного действия, в конце концов, названное по его имени. Льюис участвовал в организации производства отравляющего вещества. После войны Льюис произнес несколько громких речей в защиту Службы химической войны и использования химического оружия в военных действиях.