Окончил промышленную школу, был фотографом, работал на фабрике фотоматериалов, принадлежавшей отцу. В 1895 Луи Жан Люмьер изобрёл киноаппарат для съёмки и проекции «движущихся фотографий», пригодный для коммерческого использования. Аппарат был запатентован и получил название «кинематограф», прибор представлял собой усовершенствование эдисоновского «кинетографа». Первый публичный платный сеанс состоялся 28 декабря 1895 в подвале «Гран-кафе» на бульваре Капуцинок в Париже. На первых сеансах братья Люмьер демонстрировали сценки, в основном снятые на натуре: «Выход рабочих с фабрики братьев Люмьер», «Прибытие поезда на вокзал Ла-Сьота», «Завтрак младенца», «Вылавливание красных рыбок», «Вольтижировка», постановочный комедийный скетч «Политый поливальщик» и другие. В 1896 году братья совершили мировое турне со своим изобретением, посетив Лондон, Нью-Йорк, Бомбей.
С 1898 Люмьер занимался только производством киноаппаратуры, несколько лет спустя он продал патенты, но продолжал свои опыты в области объёмного и цветного кино. Во Франции существует ежегодная премия имени Луи Люмьера за лучший документальный фильм.
В 1903 году братьями Люмьер был запатентован способ получения цветной фотографии, получивший название «автохром» (фр. Autochrome Lumi?re).