Tanzanian Ahmed Ghailani, 36 år, befanns i november skyldig till konspiration om att skada eller förstöra amerikansk egendom med sprängämnen men friades från mord.
Efter Ghailani's frikännande på det och andra anklagelser, kongressen hindrade USA: s president Barack Obama från att flytta Guantanamo fångar till USA.
Anklagelserna gällde 1998 års bombning av amerikanska ambassader i Kenya och Tanzania.
I New York på tisdagen avslog domare Lewis Kaplan Ghailanis begäran om mildhet och sade att varje misshandel han påstod att han hade lidit i händerna på sina fångvaktare "bleknar i jämförelse med det lidande och den fasa han och hans konfederater orsakade".
"Det här brottet var så hemskt", sa han. "Det var ett kallblodigt dödande och lemlästande av oskyldiga människor i enorm skala."
Den amerikanske justitieministern Eric Holder sa att livstidsstraffet visade att det amerikanska rättssystemet har förmåga att ställa terrorister till svars för sina handlingar.
"Vi hoppas att denna livstidsdom ger något mått av rättvisa till offren för dessa attacker och deras familjer och vänner som har väntat så länge på denna dag", sade han i ett uttalande.
Av Laura TrevelyanBBC News i New York
Även om domen inte var den rungande som justitiedepartementet skulle ha velat ha, har Ghailanis livstids fängelse gripits av den amerikanske justitieministern Eric Holder som visar styrkan i landets domstolar.
Men det är svårt att se när nästa civila rättegång mot en Guantanamo-fånge blir, eller när president Barack Obama kan stänga Guantanamo Bays militärfängelse.
Under veckorna efter Ghailanidomen i slutet av förra året antog kongressen en lag som hindrade militära medel från att användas för att överföra Guantanamofångar till USA.
Detta gör det praktiskt taget mycket svårt för Obama-administrationen att tömma fånglägret och flytta fångar och pröva dem i civila domstolar.
"Som detta fall visar, kommer vi inte att vila på att ställa terrorister som försöker skada det amerikanska folket till rätta, och vi kommer att använda alla verktyg som står till regeringens förfogande för att göra det."
Inför domen hade Ghailani bett om mildhet och sagt att han aldrig hade tänkt döda någon och att han hade blivit torterad.
År 2001 dömdes fyra medkonspiratörer till livstids fängelse under bombningarna i augusti 1998, där 224 personer dödades.
Åklagare sa att Ghailani hade konspirerat med al-Qaida-agenter för att bomba ambassaderna, och hjälpte till att köpa sprängämnen som förstörde den amerikanska ambassaden i Dar es Salaam, Tanzania.
Amerikanska utredare sa att Ghailani hade flugit till Pakistan natten innan de samtidiga bombningarna.
Han åtalades i USA i december 1998 men förblev på fri fot i Afghanistan och Waziristanområdet i Pakistan, säger USA. Han tillfångatogs i juli 2004 och överfördes till Guantanamo Bay 2006.
Förra året stannade USA kvar i en militärdomstol i Guantanamo Bay och överförde honom till New York för den civila rättegången.
Den första Guantanamo-fånge som ställs inför rätta i en amerikansk civildomstol har dömts till livstids fängelse.