Originaire de Haute-Saône, Antoine Lumière, le père des inventeurs fût receuilli, après la mort de sa mère, par un peintre vivant à Paris, nommé Auguste Constantin. Antoine devient ainsi peintre d'enseigne. Quelques années plus tard, il y rencontre Jeanne-Joséphine Costille. Il quitte la capitale et part s'établir à Besançon où il ouvre un magasin de photographie. Il aura trois enfants : d'abord une fille, puis Louis(le 10 avril 1854) et enfin Auguste(le 19 octobre 1862). En 1870, toute la famille part à Lyon pour s'associer avec Fatalo, un photographe de la rue de la Barre. L'affaire est bientôt rentable et Antoine devient célèbre pour avoir immortalisé, sur "plaque sensible" les célébrités lyonnaises. Ses enfants peuvent ainsi entrer à l'école industrielle de la Martinière. Auguste et Louis obtiennent respectivement, un diplôme de chimie et de physique.
En 1880, Louis commence ses recherches pour améliorier les plaques photographiques de son père. Ce dernier lui refusait alors l'utilisatiion de balances de précision et l'on raconte que Louis été obligé d'aller chez le pharmacien d'en face pour doser ses produits. Après de nombreuses journées passées dans la pénombre du sous sol, il met au point des plaques photographiques perfectionnées. Les ventes sont très satisfaisantes et devant la croissance de la clientèle, Antoine Lumière cède les fonds et s'installe à Montplaisir convaincu des capacités scientifiques de son fils.
En 1872, Louis crée une usine, employant une dizaine de personnes, destinée à la fabrication de plaques photographiques au gélatino-bromure d'argent. Vingt ans plus tard, sa production annuelle dépasse la barre des 15 millions de plaques en employant plus de 300 ouvriers. En 1883, il crée une pellicule qu'il nomme "étiquette bleue", qui connait un succès fulgurant en partie grâce à sa sensibilité (4ASA) qui permet d'obenir une vitesse d'obturation de 1/60 de seconde.
En 1891, les frères Lumière orientent leurs recherches vers la photographie couleur. Se basant sur le procédé de Gabriel Lippmann, ils perfectionnent cette technique qui montre malheureusement ses limites : les temps de poses restent trop longs et les couleurs ne sont pas toujours reproductibles. Louis abandonne ce procédé, pour privilégier ses recherches en matière de photochimique, et présente lors de l'exposition universelle(1900) des clichés couleurs prometteurs. En 1904, la majeure partie de problèmes liés à la réalisation de plaque autochrome est résolue et ils publient un compte rendu sur sa fabrication à l'Académie des sciences. La première production industrielle de plaques autochromes commence en 1907, et durera une trentaine d'années. En 1914, elle atteignait 6 000 plaques par jour.
Lors d'un voyage à Paris, Antoine découvre l'invention de l'américain Edison : le kinétoscope. De retour à Montplaisir, il explique ce qu'il a vu à Louis espérant tirer lui aussi profit de cette invention. Préférant travailler seul, Louis refuse l'association avec Demesny pour améliorer l'invention de ce dernier : le phonoscope. Après des mois de recherche, ils mettent au point le cinématographe, qui sera breveté le 13 février 1895 sous le nom des deux frères bien que Louis ait d'avantage travaillé sur cette invention. (Interview de Louis Lumière à ce sujet). Le 22 mars 1895, il donne une conférence sur la photographie en couleur et présente en exclusivité son premier film, (lui aussi breveté) : La sortie des usines Lumière. Puis il réalise une quinze de films qu'il présente au congrès des photographes, à Lyon, à Bruxelles et enfin à la Sorbonne. Il montre enfin ses films au public le 25 décembre 1895 au Grand Café (plus sur cette soirée). Le succès soudain des Lumière à fait de nombreux jaloux, principalement chez les amis de Marey, Reynaud, Demeny et surtout d'Edison qui voyaient la notoriété de leur pays soudainement écrasée. Aucun de ses concurrents à part peut-être Edison, n'avait les moyens dont les frères disposaient. Ceux-ci tournent, en une année, plus de cinquante films, tous projettés avec succès devant le public parisien.
Les films Lumière seront projettés, pendant plus d'un an, dans le salon Indien du Grand Café. Cette salle peut acceuillir 120 spectateurs qui paient chacun 1 franc la place. Une vingtaine de films d'une minutes chacun sont projetté par séance. Si les premiers soirs sont déçevants au niveau du nombre d'entrée, au bout d'une semaine la file d'attente mesure plus de 300 mêtres ! En cinq ans, le bénéfice atteindra la somme astronomique de trois millions de francs. En 1896, Antoine ouvre une seconde salle de cinéma boulevard Saint Denis.
Des centaines de demandes d'achat affluent des quatre coins du monde. Tout le monde veut avoir le cinématographe. Louis Lumière, n'étant pas pressé de mettre son invention sur le marché, ne fixe aucune date de mise en vente. Jules Charpentier est chargé de la fabrication en séries et les délais sont très longs. Pendant ce temps, les frères créent une école d'opérateur. Ceux-ci sont chargés de faire la promotion du cinéma dans le monde et de prendre de nouvelles vues pour un public friand de vues exotiques. Les Lumière touchent 50% des recettes brutes des opérateurs. Un des plus connus reste Mesguish à qui Louis a dit, en l'embauchant, que "le cinéma est une invention sans avenir".
Les opérateurs qui tournent plus de 500 films en deux ans, découvrent, par hasard, des effets spéciaux. Le premier lors de la projection de la vue "Démolition d'un mur". Le projectionniste avait alors mis la pellicule à l'envers et le mur, au lieu de tomber en morceaux, se reconstituait et se remettait debout. Le premier travelling (appelé à l'époque "panorama") a été fait à Venise sur une gondole, un opérateur ayant l'idée de "filmer avec une caméra mobile, des objets mobiles"
Lors de l'exposition universelle, les Lumière ont proposé de projetter leurs vues sur écran géant. Pour des raisons de sécurité, celui-ci ne mesurera que 16m sur 21m. La toile est immergée entre chaque séance pour que le poids de l'eau la maintienne tendue. Les spectateurs se placent des deux cotés de l'écran, sur le Champ-de-Mars.
Mais le public finit pas se lasser des vues Lumière pour se tourner vers des productions prommetteuses comme Pathé, Gaumont et surtout Méliès. Louis fait baisser les entrées de son cinéma à 50centimes et tourne un film plus long intitulé "Passion de Jésus" qui sera sans succès. Il finit par abandonner la producton filmique : "faire des films ce n'est plus mon affaire".
Louis se consacre au marché de la pellicule couleur et au cinéma en relief. Il invente un haut parleur de papier plissé et, pendant la guerre, il met au point un réchaud catalyse fonctionnant à l'essence pour réchauffer l'habitacle des avions. En 1919, il est élu membre de l'académie des sciences et abandonne la direction de son usine un an plus tard.
À soixante ans Auguste décide de se consacrer à des recherches médicales. Certaines de ses réflexions (celle concernant l'utilisation du tulle gras sur des brûlures, par exemple) montrent sa pertinence, mais d'autres sont plus douteuses et sa notoriété est mise en doute. Sa fortune lui permet de publier de nombreux ouvrages. Son usine prépare même 150 spécialités pharmaceutiques qui seront utilisées dans la clinique Lumière, construite en 1936, où l'on soigne selon les principes tirés des recherches d'Auguste.
En 1946, Louis lègue à la cinémathèque française plus de 1800 vues qu'il a réalisées avec ses opérateurs. Il meurt deux ans plus tard.
Auguste décède en 1956.