Nacque a Kiel in Germania. Ricevette la prima formazione artistica da suo padre Leo Lehmann (1782-1859) e da altri pittori di Amburgo . Nel 1831, all'età di 17 anni, si recò a Parigi per studiare arte con Jean Auguste Dominique Ingres, divenendo uno dei suoi allievi più promettenti e ne fu stretto collaboratore per molti anni. La sua prima mostra fu al Salon nel 1835 presso il quale vinse una medaglia di seconda classe. In seguito espose regolarmente al Salon, vincendo medaglie di prima classe nel 1840, 1848 e 1855.
Lehmann visse a Roma tra il 1838 e il '41, continuando la propria formazione artistica con Ingres (che era allora direttore della Académie de France à Rome), e collaborando con lui su alcune opere - tra le quali il dipinto Luigi Cherubini e la musa della poesia lirica. A Roma Lehmann strinse amicizia con Franz Liszt e la sua amante, la scrittrice Marie d'Agoult; con loro intrattenne una fitta corrispondenza epistolare per molti anni e di loro fece molti ritratti.
Nel 1846 Lehmann ricevette la Legione d'Onore e nel 1847 divenne cittadino francese, aprendo il suo studio in quello stesso anno. Nel 1861 divenne docente presso la famosa École des Beaux-Arts. Ha fondato il Premio Lehmann al fine di riconoscere l'eccellenza accademica nell'arte. Nel 1864 fu eletto membro dell'Institut de France.
Morì a Parigi nel 1882. Suo fratello Rudolf Lehmann fu anch'egli un noto ritrattista.
Opere
L'opera di Lehmann abbraccia molti generi: oltre che ritratti troviamo opere di argomento religioso, storico, mitologico, allegorico e di genere . Egli trasse ispirazione dalla mitologia classica, da Shakespeare e scrittori contemporanei. Tra le sue opere si possono ricordare La figlia di Jefte (1836), Il dolore delle Oceanidi (1850), Prometeo, Il Sogno di Erigone, L'Adorazione dei Magi e dei pastori (1855, Museo di Reims), Il matrimonio di Tobia (1866) i dipinti murali comprendono quelli nelle cappelle della Chiesa di Saint-Merri, sul soffitto della Sala Grande del Palazzo di Giustizia, e nella Sala del Trono del Palazzo del Lussemburgo.