Lemaitre építőmérnöknek tanult. Az I. világháborúban tüzértisztként szolgált a belga hadseregben. A háború után papnövendék lett, 1923-ban szentelték pappá. 1923-24-ben a Cambridge-i Egyetem napfizikai laboratóriumában, majd 1925 és 1927 között a Massachusetts Institute of Technologyn (Massachusettsi Műegyetem) tanult, itt ismerkedett meg Edwin P. Hubble és Harlow Shapley amerikai csillagászoknak a táguló világegyetemről alkotott elképzelésével. 1927-ben az asztrofizika professzora lett a Leuveni Egyetemen. Ebben az évben dolgozta ki az ősrobbanás elméletét, amely Albert Einstein általános relativitáselméletének keretében magyarázatot adott a galaxisok távolodására. Korábban is megalkották már a táguló világegyetem egyes modelljeit - ilyen volt Willem de Sitter holland csillagász munkája-, de George Gamow módosításaival Lemaitre elmélete vált a kozmológia vezető elméletévé.
Lemaitre a kozmikus sugárzással és a háromtest-problémával,
három egymást vonzó test térbeli mozgásának
a leírásával is foglalkozott. Munkái közé
tartoznak a Discussion sur l'évolution de l'univers (A
világegyetem fejlődésének tárgyalása;
1933) és a L'Hypothése de l'atome primitif (Az
ősatom-hipotézis; 1946) c. kötetek.