Winlock nació en Shelby County, Kentucky. Era nieto del General Joseph Winlock (1758-1831). Después de graduarse por la Universidad Shelby (Kentucky) en 1845, recibió un nombramiento como profesor de matemáticas y astronomía en aquella institución.

Desde 1852 hasta 1857 trabajó como calculista para el Almanaque Náutico Estadounidense, trasladándose a Cambridge, Massachusetts. Dirigió brevemente el departamento de matemáticas de la Academia Naval de los Estados Unidos, tras lo que regresó como superintendente de la Oficina del Almanaque.^[2]​ Fue elegido miembro de la Academia Estadounidense de las Artes y las Ciencias en 1853.^[3]​

En 1863 fue uno de los cincuenta miembros fundadores de la Academia Nacional de Ciencias.^[4]​ Tres años más tarde, en 1866, pasó a dirigir el Observatorio del Harvard College, sucediendo a George Phillips Bond, e introduciendo numerosas mejoras en la instalación. Así mismo, ejerció como profesor de astronomía en Harvard. Permaneció en la universidad, finalmente dedicado a la enseñanza de la geodesia, hasta su muerte repentina en 1875.

Gran parte de su trabajo astronómico consistió en la realización de mediciones con el círculo meridiano; en la confección de un catálogo de estrellas dobles; y en investigaciones de fotometría estelar. También realizó expediciones para observar eclipses solares, viajando a Kentucky en 1860 y a España en 1870.

• El cráter lunar Winlock lleva este nombre en su memoria.^[5]​

• Memoir at the National Academy of Sciences