A Besancon városában született és felnőtt Lumiere-fiúk apja festőből lett fényképész volt, ők pedig már az iskolában kitűntek technikai érdeklődésükkel. Louis a kereskedelmi filmelőhívás kérdéseivel foglalkozott, s már 18 évesen fényképlemezeket gyártó üzemet létesített. 1890-ben Auguste hozta forgalomba az első tekercsfilmet - addig csak üveglemezekre fényképeztek.
Apjuk 1894-ben Párizsban részt vett Thomas Edison kinetoszkópjának (kémlelődoboz) bemutatóján, s maga is vásárolt egyet a szerkezetből. Fiai a készüléket szétszedve megállapították: annak legnagyobb hibája, hogy a film a gépben folyamatosan fut, ezért nem elég világos a kép. Arra is gondoltak, mennyivel hatásosabb volna, ha a mozgóképeket egy ernyőre lehetne kivetíteni. Rájöttek, hogy ez csak úgy lehetséges, ha a film szaggatottan mozog a vetítőkapu előtt, s lehetőleg kétszer annyi ideig áll, mint ameddig a következő kocka a helyére ugrik.
A megoldás Louis fejéből pattant ki: két pecket alkalmaztak, amelyek beakadnak a képkocka két oldalán lévő lyukakba, lehúzzák azt, majd a filmet állva hagyva hátrahajlanak és a következő lyukpárhoz ugranak fel. A filmet ugyanazzal a készülékkel vették fel és vetítették le, 16 kockát másodpercenként, míg Edison gépe 46 kocka sebességgel futott. Kinematográfnak nevezett találmányukat 1895. február 13-án szabadalmaztatták, s az hamarosan kiszorította Edison gépét, mert a nagy amerikai feltaláló nem volt hajlandó változtatni eredeti megoldásán.
A Lumiere-fivérek az első filmvetítést 1895. március 22-én tartották a Nemzeti Ipart Támogató Társaság előtt. Az egyperces film címe A munkaidő vége volt, s a gyárukból távozó munkásokat ábrázolta. Az első nyilvános mozielőadásra 1895. december 28-án a párizsi Buolevard des Capucines-n lévő Grand Caféban került sor, a műsoron tíz rövidfilm szerepelt. A legnagyobb sikert a Lelocsolt locsoló című burleszk aratta, egy másik viszont, amely egy szemből közeledő mozdonyt mutatott, szabályszerű pánikot keltett, több nő el is ájult. Bár aznapi bevételük csak 30 frank volt, ezzel kezdődött meg a mozi története.
A testvérek más köznapi jeleneteket is megörökítettek, 1896-ban negyvennél több ilyen filmet forgattak. Ők készítették az első filmtudósítást a francia Fényképészeti Társaság Konferenciájáról, és az első dokumentumfilmet, a lyoni tűzoltókról. Operatőröket küldtek a világ számos városába, ahol azok filmeket forgattak és vetítéseket rendeztek. Lumiere-ék vezették be a vágást és a fahrtot, a felvevőgép mozgatását. Cégük összesen 1400 filmet forgatott, ez jelentős anyagi sikert is hozott számukra.
A Lumiere-testvérek legnagyobb sikerüket az 1900-as párizsi világkiállításon érték el, ahol 21x16 méteres vászonra vetítettek, ez olyan anyagból készült, amely annyi fényt engedett át, amennyit visszavert, így mindkét oldalról nézni lehetett a képet. 1903-ban fejlesztették ki, s 1907-ben mutatták be az autokróm-eljárást, amellyel színes fotókat tudtak készíteni. Foglalkoztak a gramofon tökéletesítésével és a háromdimenziós mozi kidolgozásával is. Auguste-öt később makrobiológiai és orvosi kérdések érdekelték: az anafilaxiát - idegen fehérjékkel szembeni túlérzékenységet-, valamint a reuma patológiáját kutatta.
Louis Lumiere 1948. június 6-án Bandolban, Auguste 1954. április 10-én Lyonban hunyt el.