À son retour, elle est nommée aux Archives nationales, où elle fait l'essentiel de sa carrière de 1959 à 1988. D'abord conservateur au service de renseignements (1959-1984), elle est nommée secrétaire générale en 1984. À ce titre, elle pilote la construction du Centre d'accueil et de recherche des Archives nationales, connu sous le nom de CARAN. Elle contribue aussi à la rénovation du Musée de l'Histoire de France et à la restauration des bâtiments du quadrilatère affecté aux Archives nationales, ainsi qu'à l'informatisation de ses services.
Ses recherches historiques portent sur la fin du Moyen Âge avec notamment une thèse sur Pierre Doriole, chancelier de Louis XI. Par la suite, elle s'est beaucoup intéressée à l'histoire des Archives nationales.
Publications
Un Chancelier de France sous le règne de Louis XI : Pierre Doriole, thèse pour le diplôme d'archiviste paléographe, 1956.
Lucie et Jean Favier, Les Archives nationales, quinze siècles d'histoire, Paris, Nathan, 1988.
Lucie Favier, préf. René Rémond, La Mémoire de l'État : histoire des Archives nationales, Paris, Fayard, 2004 (ISBN2-213-61758-9) (ouvrage posthume achevé par Jean Favier)
