Después de que su padre, Antoine, un conocido retratista reconvertido en fotógrafo, abriera un pequeño negocio de placas fotográficas con sede en Lyon, Louis Lumière comenzó a experimentar con el equipo que fabricaba su padre. En 1881, Louis, de 17 años, inventó un nuevo proceso de revelado de películas con «placa seca», que impulsó el negocio de su padre lo suficiente como para impulsar la apertura de una nueva fábrica en los suburbios de Lyon. En 1894, los Lumière producían unos 15 millones de placas al año.
Ese año, Antoine Lumière asistió a una exposición del Kinetoscopio de Edison en París. A su regreso a Lyon, mostró a sus hijos un trozo de película que había recibido de uno de los concesionarios de Edison; también les dijo que debían intentar desarrollar una alternativa más barata al dispositivo de visualización de películas por mirilla y a su voluminosa cámara homóloga, el Kinetógrafo. Mientras que el Kinetoscopio sólo podía mostrar una película a un solo espectador, Antoine instó a Auguste y Louis a trabajar en una forma de proyectar la película en una pantalla, donde muchas personas pudieran verla al mismo tiempo.
Auguste comenzó los primeros experimentos en el invierno de 1894, y a principios del año siguiente los hermanos habían ideado su propio aparato, al que llamaron Cinématographe. Mucho más pequeño y ligero que el Kinetógrafo, pesaba unos cinco kilogramos y funcionaba con una manivela. El Cinématographe fotografiaba y proyectaba la película a una velocidad de 16 fotogramas por segundo, mucho más lenta que la del dispositivo de Edison (48 fotogramas por segundo), lo que significaba que su funcionamiento era menos ruidoso y utilizaba menos película.
La innovación clave en el corazón del Cinématographe era el mecanismo a través del cual la película era transportada a través de la cámara. Dos clavijas o garras se introducían en los agujeros de la rueda dentada perforados en la tira de película de celuloide; las clavijas desplazaban la película y luego se retraían, dejando la película inmóvil durante la exposición. Louis Lumière diseñó este proceso de movimiento intermitente basándose en el funcionamiento de una máquina de coser, una táctica que Edison había considerado pero que rechazó en favor del movimiento continuo.
Un dispositivo tres en uno que podía grabar, revelar y proyectar imágenes en movimiento, el Cinématographe pasaría a la historia como la primera cámara cinematográfica viable. Con ella, los hermanos Lumière filmaron a los trabajadores de su fábrica que salían al final de la jornada. La película resultante, «La Sortie des ouvriers de l’usine Lumière» («La salida de los trabajadores de la fábrica Lumière»), se proyectó en una reunión industrial celebrada en París en marzo de 1895; se considera la primera película.
Después de otras proyecciones privadas, los hermanos Lumière estrenaron el Cinématographe en su primera proyección pública el 28 de diciembre de 1895, en el Grand Cafe del Boulevard de Capuchines de París. A principios de 1896, abrirían salas del Cinématographe en Londres, Bruselas, Bélgica y Nueva York. Tras realizar más de 40 películas ese año, en su mayoría escenas de la vida cotidiana francesa, pero también el primer noticiario (imágenes de la conferencia de la Sociedad Fotográfica Francesa) y los primeros documentales (sobre el Cuerpo de Bomberos de Lyon), empezaron a enviar a otros camarógrafos-proyeccionistas por el mundo para grabar escenas de la vida y mostrar su invento.
En 1905, los Lumière se retiraron del negocio cinematográfico para desarrollar el primer proceso fotográfico práctico en color, conocido como Autocromo Lumière. Mientras tanto, su cámara cinematográfica pionera, el Cinématographe, había prestado su nombre a una nueva y emocionante forma de arte (y entretenimiento): el cine.