Gilbert war einer der Entdecker der freien Schwingungsmoden der Erde, die er mit Adam Dziewoński aus der Analyse der Daten des Alaska-Erdbebens von 1964 und später des Erdbebens in Kolumbien 1970 fand. Etwa gleichzeitig gelang das auch Frank Press und Maurice Ewing. Dazu entwickelte er mit George Edward Backus die Backus-Gilbert-Methode der Inversion seismischer Daten. Anfang der 1970er Jahre war er an der Installation eines weltweiten Netzwerks von Seismometern zum Studium des Erdinnern beteiligt, das IDA Array (Project IDA, International Deployment of Accelerometers), dessen erste 40 Stationen 1974 in Betrieb gingen.