Louis-Joseph Lemieux fit ses études classiques au Collège Sainte-Marie à Montréal et obtint son diplôme de médecin de l'Université Laval à Montréal en 1893. La même année, il quitte le Québec pour aller vivre à Portland en Oregon aux États-Unis, où il pratiqua la médecine et enseigna l'histoire de sa profession à l'Université d'état de l'Oregon. De retour à Montréal en 1896, il travailla comme médecin consultant pour diverses compagnies de chemin de fer, de même que pour l'Hôpital Notre-Dame. Il suivit un stage de perfectionnement à Paris en 1903, et il revint au Québec pour se présenter aux élections de 1904 dans la circonscription de Gaspé, où il fut élu sans opposition. Il sera réélu, encore sans opposition, en 1908.
Il est nommé professeur agrégé à l'Université Laval à Montréal en 1909. Il y enseignera à nouveau l'histoire de la médecine, jusqu'à sa nomination comme shérif du district de Montréal, le . Il exerça ses fonctions jusqu'en 1925, avant d'être nommé agent général de la province de Québec en Angleterre. Il occupera ce poste de 1925 à 1936.