Лотар-Гюнтер Бухайм е роден на 6 февруари 1918 г. във Ваймар, Германия. Син е на немската художничка Шарлот Бухайм, която е самотна майка. Има брат, който е по-малък с две години. През 1926 г. се премества със семейството си в Рохлиц, където майка му се омъжва за собственик на леярна, а през 1930 се мести в Кемниц където учи в интернат. Прави дълги разходки с велосипед с брат си, понякога чак до Балтийско море, за да рисува пейзажни картини и по-късно ги превръща в линогравюри на социални теми. Негови произведения са публикувани във вестници и списания, и участват в колективни изложби. Получава и поръчка от град Кемниц.
След като завършва гимназия през 1937 г., се премества в Италия, където пише първата си книга „Tage und Nächte steigen aus dem Strom. Eine Donaufahrt“ (Дни и нощи, излизащи от потока : Дунавско пътуване), публикувана през 1941 г. В нея описва преживяванията си по време на пътуването по Дунав през 1938 г. със сгъваема лодка до Черно море.
През 1940 г. се включва като доброволец към Военноморските сили и служи като военен кореспондент на националсоциалистическия вестник „Das Reich“ (Райхът) пишейки за миночистачи, разрушители и подводници, достигайки до чин лейтенант.
Два пъти рисува адмирал Карл Дьониц. В периода 1941 – 1943 г. участва в Голямата немска художествена изложба в Мюнхен с общо 21 рисунки – портрети на офицери и изображения на подводници.
По време и след Втората световна война пише множество книги за своя опит във флота. През 1943 г., като член на екипажа на подводница U 96, пише книгата „Jäger im Weltmeer“ (Ловец в океана), публикувана през 1943 г., в която представя ожесточената битка между немска подводница и британски миноносец. Книгата става основата за романа „Подводницата“ от 1973 г. и филма „Подводница U-96“. През август 1944 г. се евакуира от Нормандския флот в крепостта в Брест с подводница U 309, където преживява обсадата, а от Франция се връща с предпоследната подводница в Германия. Пътуването му за евакуация става основа за романа „Die Festung“ (Крепостта) от 1995 г.
След края на войната, през 1945 г. се установява във Фелдафинг и отваря художествено ателие. Пише биографични книги за художниците Макс Бекман, Ото Мюлер и Пабло Пикасо, които заедно с книгите му за преживяванията от Втората световна война го правят известен. Основава през 1951 г. издателство „Бухайм“ за художествени книги във Франкфурт на Майн (сега във Фелдафинг) и го ръководи със съпругата си Диетилд и двете ѝ сестри.
През 50-те години събира колекцията си от графични произведения на германския експресионизъм (особено на художествената общност „Die Brücke“), които тогава не са търсени и скъпи.
През 60-те и 70-те години предприема многобройни пътешествия за рисуване и проучване, в резултат на което издава няколко пътеписа и фотокниги. През 1972 г. прави пътешествие като художник през Ню Йорк и Сан Франциско до южната част на Тихия океан, създавайки много акварели и гваши. В периода 1981 – 1985 г. голяма част от творбите му са изложени в Ленинград, Москва, Мадрид, Тел Авив и Япония.
На 65-годишна възраст решава да събере творбите си в музей. След отказа на музея в Дуйсбург, основава Фондация „Бухайм“. Чрез нея финансира изграждането на Музея на фантазията, който след 30 години е открит на 23 май 2001 г. в Бернрид ам Щарнбергер зе. В него съхранява колекцията си, оценена на около 100 милиона евро, и собствените си произведения. Работи в него като директор до смъртта си.
За своята творческа дейност е удостоен с множество награди и отличия. През 1985 г. е удостоен със почетното звание „доктор хонорис кауза“ от Университета в Дуисбург за изследвания в областта на изкуството.
Лотар-Гюнтер Бухайм умира от сърдечна недостатъчност на 22 февруари 2007 г. в Щарнберг.
Произведения
Документалистика
Tage und Nächte steigen aus dem Strom. Eine Donaufahrt (1941)
Jäger im Weltmeer (1943/1996)
Georges Braque. Das graphische Werk (1950)
Henri Matisse. Aus dem graphischen Werk (1950)
Pablo Picasso. Aus dem graphischen Werk (1950)
Braque (1951)
Raoul Dufy (1951)
Henri de Toulouse-Lautrec. Die Lithographien (1951)
Henri Matisse (1952)
Max Beckmann. Die Welt des Einzelnen. Holzschnitte, Radierungen, Lithographien (1954)
Pierre Bonnard (1954)
Um 1900. Lithographien von Toulouse-Lautrec, Bonnard, Vuillard (1954)
Fernand Leger. Menschen und Objekte (1955)
Zwischen Traum und Tag. Zeichnungen von Marc Chagall (1955)
Festliche Welt. Zeichnungen von Raoul Dufy (1955)
Die Künstlergemeinschaft „Brücke“. Gemälde, Zeichnungen, Graphik, Plastik. Dokumente des deutschen Expressionismus (1956)
Französische Graphik des XX. Jahrhunderts (1956)
Deutsche Graphik des XX. Jahrhunderts. Holzschnitte (1956)
Hector Trotins Sonntagswelt (1957)
Der „Blaue Reiter“ und die „Neue Künstlervereinigung München“ (1958)
Picasso. Eine Bildbiographie (1958)
Wie malt man abstrakt? Eine leichtfassliche Anleitung (1958)
Graphik des deutschen Expressionismus (1959)
Max Beckmann. Leben und Werk (1959)
Max Kaus. Graphik aus den Jahren 1916 – 1926 (1959)
Otto Mueller. Leben und Werk (1963)
Der Maler im herbstlichen Hain. Chinesische Landschaften von Chi Pai Shih (1964)
Max Kaus. Frühe Lithographien (1964)
Jugendstilplakate (1969)
Staatsgala (1977)
Mein Paris – Eine Stadt vor dreißig Jahren (1977)
Staatszirkus – mit der Queen durch Deutschland (1978)
Die Tropen von Feldafing (1978)
Der Luxusliner (1980)
U 96 – Szenen aus dem Seekrieg (1981)
Das Segelschiff (1982)
Das Museum in den Wolken. Zum Fall Duisburg (1986)
Malerbuch (1988)
Серия „Подводници“ (U-Boot)
U-Boot-Krieg (1976, 1997)
Die U-Boot-Fahrer – Die Boote, die Besatzungen und ihr Admiral (1985)
Zu Tode gesiegt. Der Untergang der U-Boote (1998)
Самостоятелни романи
Das Boot (1973) Подводницата, изд.: „Военно издателство“, София (2005), прев. Асен Георгиев
Die Festung (1995)
Der Abschied (2000)
Екранизации
1981 Подводница U-96, Das Boot – по романа „Подводницата“
1985 – 1987 Подводница, Das Boot – тв минисериал, 3 епизода
2018 Подводницата, Das Boot – тв сериал, 8 епизода, по „Подводницата“ и „Die Festung“ (Крепостта)