Lauterbach wuchs in Jülich (nahe Aachen) auf. Er studierte Medizin in Aachen, Düsseldorf und San Antonio (Texas, USA). Seinen Doktortitel erhielt er für Erkenntnisse im Bereich der Auswirkungen radioaktiver Strahlen auf den menschlichen Körper. Konkret ging es um die Weiterentwicklung eines Messgerätes (Gammaskop) auf Basis experimenteller und klinischer Studien. Zwischen 1989 und 1990 studierte Lauterbach außerdem den Studiengang Master of Public Health an der Harvard School of Health (USA), wobei er sich auf die Themen Epidemiologie und Gesundheitspolitik spezialisierte. Es folgte ein weiterer Master of Science-Studiengang über Gesundheitspolitik und -management, ebenfalls in Harvard. Seine Approbation als Arzt in Deutschland erhielt er erst später, nämlich im Jahr 2010. Ende der 1990er-Jahre berief die Universität Köln Lauterbach zum Professor und beauftragte ihn mit der Gründung des Instituts für Gesundheitsökonomie, Medizin und Gesellschaft. Zwischen 1999 und 2005 war der SPD-Politiker Mitglied des Sachverständigenrates zur Begutachtung des Gesundheitswesens.
In seiner Jugend trat Lauterbach zunächst in die CDU ein – in Interviews begründete er dies später damit, dass er christlich erzogen worden sei. In die SPD trat er erst 2001 ein. Vier Jahre später gewann er erstmals knapp seinen Heimat-Wahlkreis (Leverkusen-Köln) als Direktkandidat, den er seitdem bei jeder darauffolgenden Bundestagswahl zwar oft knapp aber stetig wiedergewann. In der 17. Legislaturperiode (2009 bis 2013) war Lauterbach gesundheitspolitischer Sprecher der SPD-Fraktion. Zwischen 2013 und 2019 war er dann stellvertretender Vorsitzender seiner Fraktion und in dieser Funktion zuständig für die Themen Gesundheit, Bildung und Forschung. Diesen Posten gab er 2019 allerdings ab, als er vergeblich für das Amt des SPD-Vorsitzenden kandidierte. Zwischen 2001 und 2013 war Lauterbach darüber hinaus Aufsichtsratsmitglied der Rhön Klinikum AG, die unter anderem die Universitätsklinika Marburg und Gießen kontrolliert. Aus diesem Gremium schied Lauterbach allerdings aus, weil er vor der Bundestagswahl 2013 in das Kompetenzteam des damaligen SPD-Kanzlerkandidaten Peer Steinbrück gewählt wurde.
