Biólogo evolutivo, genetista y filósofo de la biología. Pionero en aplicar técnicas de biología molecular, como la electroforesis en gel, en cuestiones de variabilidad genética y evolución.
Defensor de la teoría jerárquica de la evolución, desde cuya perspectiva, la selección natural no limita su ejercicio a los genes, sino que células, organismos, demes (población biológica), especies y clados (ramificaciones del árbol filogenético) pueden actuar también como unidades evolutivas.
Se opone a la concepción del darwinismo tradicional del organismo como un receptor pasivo de influencias ambientales. Para Lewontin la relación organismo-medio es recíproca.