Nadat zijn vader, Antoine, een bekende portretschilder die later fotograaf werd, een bedrijfje in fotografische platen opende in Lyon, begon Louis Lumière te experimenteren met de apparatuur die zijn vader produceerde. In 1881 vond de 17-jarige Louis een nieuw ‘droge plaat’-ontwikkelingsproces voor film uit, waardoor zijn vaders bedrijf een zodanige impuls kreeg dat er een nieuwe fabriek in de buitenwijken van Lyon kon worden geopend. In 1894 produceerden de Lumières zo’n 15 miljoen platen per jaar.
Dat jaar bezocht Antoine Lumière een tentoonstelling van Edisons Kinetoscoop in Parijs. Bij zijn terugkeer in Lyon liet hij zijn zoons een stuk film zien dat hij van een van Edisons concessionarissen had gekregen; hij zei ook dat ze moesten proberen een goedkoper alternatief te ontwikkelen voor het kijkgaatje en de lompe tegenhanger ervan, de kinetograaf. Terwijl de Kinetoscoop een film slechts aan één individuele kijker kon tonen, drong Antoine er bij Auguste en Louis op aan om te werken aan een manier om film op een scherm te projecteren, zodat veel mensen de film tegelijkertijd konden bekijken.
Auguste begon in de winter van 1894 met de eerste experimenten, en begin volgend jaar hadden de broers hun eigen apparaat ontwikkeld, dat ze de Cinématographe noemden. Het apparaat was veel kleiner en lichter dan de Kinetograph, woog ongeveer vijf kilo en werkte met behulp van een met de hand aangedreven zwengel. De Cinématographe fotografeerde en projecteerde film met een snelheid van 16 beelden per seconde, veel langzamer dan het apparaat van Edison (48 beelden per seconde), waardoor het minder lawaai maakte en minder film verbruikte.
De belangrijkste innovatie bij de Cinématographe was het mechanisme waarmee de film door de camera werd getransporteerd. Twee pinnen of klauwen werden in de tandwielgaten gestoken die in de celluloidfilmstrook waren gestanst; de pinnen bewogen de film voort en trokken zich vervolgens terug, waardoor de film tijdens de belichting stil bleef liggen. Louis Lumière ontwierp dit proces van intermitterende beweging op basis van de manier waarop een naaimachine werkte, een tactiek die Edison had overwogen maar had verworpen ten gunste van continue beweging.
Een drie-in-een apparaat dat films kon opnemen, ontwikkelen en projecteren, de Cinématographe zou de geschiedenis ingaan als de eerste levensvatbare filmcamera. De gebroeders Lumière maakten er opnamen mee van werknemers van hun fabriek die aan het eind van de dag vertrokken. De film “La Sortie des ouvriers de l’usine Lumière” (“De arbeiders verlaten de fabriek van Lumière”) werd vertoond op een industriële bijeenkomst in Parijs in maart 1895; het wordt beschouwd als de allereerste speelfilm.
Na een aantal andere privévertoningen onthulden de gebroeders Lumière de Cinématographe tijdens hun eerste openbare vertoning op 28 december 1895 in het Grand Café aan de Boulevard de Capuchines in Parijs. Begin 1896 openden ze Cinématographe-theaters in Londen, Brussel, België en New York. Nadat ze dat jaar meer dan 40 films hadden gemaakt, voornamelijk scènes uit het dagelijkse Franse leven, maar ook het eerste bioscoopjournaal (opnamen van het congres van de Franse Photographic Society) en de eerste documentaires (over de brandweer van Lyon), begonnen ze andere cameramannen-projectionisten de wereld in te sturen om scènes uit het leven vast te leggen en hun uitvinding te laten zien.
Tegen 1905 hadden de Lumières zich uit de filmindustrie teruggetrokken ten gunste van de ontwikkeling van het eerste praktische fotografische kleurenproces, bekend als de Lumière Autochrome. Ondertussen had hun baanbrekende filmcamera, de Cinématographe, zijn naam geleend aan een opwindende nieuwe vorm van kunst (en amusement): cinema.