Nachdem sein Vater Antoine, ein bekannter Porträtmaler, der zum Fotografen wurde, ein kleines Geschäft für fotografische Platten in Lyon eröffnete, begann Louis Lumière mit der Ausrüstung zu experimentieren, die sein Vater herstellte. Im Jahr 1881 erfand der 17-jährige Louis ein neues „Trockenplatten“-Entwicklungsverfahren für Filme, das das Geschäft seines Vaters so weit ankurbelte, dass eine neue Fabrik in den Vororten von Lyon eröffnet werden konnte. Bis 1894 produzierten die Lumières etwa 15 Millionen Platten pro Jahr.
In diesem Jahr besuchte Antoine Lumière eine Ausstellung von Edisons Kinetoskop in Paris. Nach seiner Rückkehr nach Lyon zeigte er seinen Söhnen ein Stück Film, das er von einem Edison-Konzessionär erhalten hatte, und riet ihnen, eine billigere Alternative zum Guckloch-Filmbetrachtungsgerät und seinem sperrigen Gegenstück, dem Kinetographen, zu entwickeln. Während das Kinetoskop einen Film nur einem einzelnen Betrachter zeigen konnte, drängte Antoine Auguste und Louis dazu, an einer Möglichkeit zu arbeiten, den Film auf eine Leinwand zu projizieren, wo ihn viele Menschen gleichzeitig sehen konnten.
Auguste begann im Winter 1894 mit den ersten Experimenten, und zu Beginn des folgenden Jahres hatten die Brüder ihr eigenes Gerät entwickelt, das sie Cinématographe nannten. Er war viel kleiner und leichter als der Kinetograph, wog etwa fünf Kilogramm und wurde mit einer handbetriebenen Kurbel betrieben. Der Cinématographe fotografierte und projizierte den Film mit einer Geschwindigkeit von 16 Bildern pro Sekunde, viel langsamer als Edisons Gerät (48 Bilder pro Sekunde), was bedeutete, dass er weniger Lärm verursachte und weniger Film verbrauchte.
Das Herzstück des Cinématographe war der Mechanismus, durch den der Film durch die Kamera transportiert wurde. Zwei Stifte oder Klauen wurden in die in den Zelluloid-Filmstreifen gestanzten Zahnradlöcher eingeführt; die Stifte bewegten den Film vor und zogen sich dann zurück, so dass der Film während der Belichtung stillstand. Louis Lumière entwarf diesen Prozess der intermittierenden Bewegung nach dem Vorbild der Funktionsweise einer Nähmaschine, eine Taktik, die Edison in Betracht gezogen, aber zugunsten einer kontinuierlichen Bewegung verworfen hatte.
Als Drei-in-eins-Gerät, das bewegte Bilder aufnehmen, entwickeln und projizieren konnte, sollte der Cinématographe als erste brauchbare Filmkamera in die Geschichte eingehen. Die Gebrüder Lumière nahmen damit Aufnahmen von Arbeitern in ihrer Fabrik auf, die am Ende des Tages die Fabrik verließen. Den daraus resultierenden Film „La Sortie des ouvriers de l’usine Lumière“ („Die Arbeiter verlassen die Lumière-Fabrik“) zeigten sie im März 1895 auf einer Industrieversammlung in Paris; er gilt als der erste Kinofilm überhaupt.
Nach einer Reihe weiterer privater Vorführungen präsentierten die Gebrüder Lumière den Cinématographe in ihrer ersten öffentlichen Vorführung am 28. Dezember 1895 im Grand Cafe am Pariser Boulevard de Capuchines. Im Frühjahr 1896 eröffneten sie Cinématographe-Kinos in London, Brüssel, Belgien und New York. Nachdem sie in diesem Jahr mehr als 40 Filme gedreht hatten, meist Szenen aus dem französischen Alltag, aber auch die erste Wochenschau (Aufnahmen von der Konferenz der Französischen Photographischen Gesellschaft) und die ersten Dokumentarfilme (über die Feuerwehr von Lyon), begannen sie, andere Kameraleute-Projektionisten in die Welt hinauszuschicken, um Szenen des Lebens aufzunehmen und ihre Erfindung zu präsentieren.
Bis 1905 hatten sich die Lumières aus dem Filmgeschäft zurückgezogen, um das erste praktische fotografische Farbverfahren zu entwickeln, das als Lumière-Autochrom bekannt wurde. In der Zwischenzeit hatte ihre bahnbrechende Filmkamera, die Cinématographe, einer aufregenden neuen Form der Kunst (und Unterhaltung) ihren Namen gegeben: dem Kino.