Après que son père, Antoine, portraitiste réputé devenu photographe, ait ouvert une petite entreprise de plaques photographiques basée à Lyon, Louis Lumière commence à expérimenter le matériel que son père fabrique. En 1881, Louis, âgé de 17 ans, invente un nouveau procédé de développement des pellicules, la « plaque sèche », qui donne un essor suffisant aux affaires de son père pour justifier l’ouverture d’une nouvelle usine dans la banlieue de Lyon. En 1894, les Lumières produisent quelque 15 millions de plaques par an.
Cette année-là, Antoine Lumière assiste à une exposition du Kinetoscope d’Edison à Paris. De retour à Lyon, il montre à ses fils une longueur de pellicule qu’il a reçue d’un des concessionnaires d’Edison ; il leur dit également qu’ils devraient essayer de mettre au point une alternative moins coûteuse au dispositif de visionnement de pellicule par le judas et à son homologue encombrant, le Kinétographe. Alors que le Kinétoscope ne pouvait montrer un film qu’à un seul spectateur individuel, Antoine incite Auguste et Louis à travailler sur un moyen de projeter le film sur un écran, où de nombreuses personnes pourraient le voir en même temps.
Auguste commence les premières expériences au cours de l’hiver 1894, et au début de l’année suivante, les frères ont mis au point leur propre appareil, qu’ils appellent le Cinématographe. Beaucoup plus petit et plus léger que le Kinetograph, il pesait environ cinq kilogrammes (11 livres) et fonctionnait à l’aide d’une manivelle actionnée à la main. Le Cinématographe photographiait et projetait le film à une vitesse de 16 images par seconde, beaucoup plus lente que l’appareil d’Edison (48 images par seconde), ce qui signifiait qu’il était moins bruyant à faire fonctionner et utilisait moins de film.
L’innovation clé au cœur du Cinématographe était le mécanisme par lequel le film était transporté dans l’appareil. Deux broches ou griffes étaient insérées dans les trous de pignon perforés dans la bande de film celluloïd ; les broches faisaient avancer le film puis se rétractaient, laissant le film immobile pendant l’exposition. Louis Lumière a conçu ce procédé de mouvement intermittent en s’inspirant du fonctionnement d’une machine à coudre, une tactique qu’Edison avait envisagée mais rejetée en faveur d’un mouvement continu.
Un appareil trois en un capable d’enregistrer, de développer et de projeter des images animées, le Cinématographe entrera dans l’histoire comme le premier appareil cinématographique viable. Les frères Lumière l’ont utilisé pour filmer les ouvriers de leur usine quittant l’usine à la fin de la journée. Ils ont montré le film résultant, « La Sortie des ouvriers de l’usine Lumière », lors d’une réunion industrielle à Paris en mars 1895 ; il est considéré comme le tout premier film cinématographique.
Après plusieurs autres projections privées, les frères Lumière dévoilent le Cinématographe lors de leur première projection publique le 28 décembre 1895, au Grand Café du boulevard de Capuchines à Paris. Au début de l’année 1896, ils ouvrent des salles du Cinématographe à Londres, Bruxelles, en Belgique et à New York. Après avoir réalisé plus de 40 films cette année-là, pour la plupart des scènes de la vie quotidienne française, mais aussi le premier journal télévisé (images du congrès de la Société française de photographie) et les premiers documentaires (sur les pompiers de Lyon), ils commencent à envoyer d’autres cameramen-projectionnistes dans le monde pour enregistrer des scènes de vie et présenter leur invention.
En 1905, les Lumières s’étaient retirés de l’activité cinématographique pour se consacrer au développement du premier procédé photographique pratique en couleur, connu sous le nom d’Autochrome Lumière. Entre-temps, leur caméra cinématographique pionnière, le Cinématographe, avait prêté son nom à une nouvelle forme passionnante d’art (et de divertissement) : le cinéma.