Lemaitre considera su trabajo como un permanente “ejercicio de admiración por la literatura”. Desde su primera novela, Travail soigné (2006; publicada en español con el título de Irene), rinde homenaje a sus maestros, haciendo de estos escritores los protagonistas de su intriga: Bret Easton Ellis, Émile Gaboriau, James, William McIlvanney, etc. Esta obra marca también el comienzo de su serie policial que tiene como protagonista a Camille Verhoeven, comandante de la Brigada Criminal de París. Ha nacido hipotrófico y solo mide 1,45 metros. Intentó dedicarse a la pintura, luego estudió Derecho y finalmente entró en la policía nacional. Está casado con Irène. Es discreto y meticuloso.
Tres años más tarde, en 2009, lanza su segunda novela, Robe de marié (Vestido de novia), ejercicio explícito de admiración del arte de Hitchcock. En ella cuenta la historia de Sophie, una treintañera con problemas psicológicos, que se convierte en una asesina en serie que se desvanece y no puede recordar cómo cometió los crímenes con los que se encuentra al despertar.
Lemaitre aborda la intriga social con Cadres noires (Recursos inhumanos), en 2010, que pone en escena el drama de un ejecutivo en paro que termina aceptando participar en un juego de rol en forma de toma de rehenes. El libro está inspirado en un hecho real ocurrido en 2005 en France Télévisions Publicité, protagonizado en aquel momento por Philippe Santini, y por cuyo atrevimiento fue condenado por el Tribunal de Casación el 7 de abril de 2010.
Su cuarta novela, Alex, juega con la identificación, motor del thriller: la heroína es a la vez víctima y asesino, dándole la vuelta a la relación del lector con el personaje. En ella se encuentran múltiples referencias, que el autor señala explícitamente, sobre Louis Aragon, Marcel Proust, Roland Barthes, John Harvey, Borís Pasternak, etc.
Les grande moyens es una novela digital por entregas, que sigue la estela del policía Camille Verhoeven, protagonista de una serie que se inició con la citada Irene, siguió con Alex y parecía haber terminado con Sacrifices (2012; Camille). Pero posteriormente, Lemaitre publicó Rosy & John (2013; adaptación al papel de Les grands moyens), añadiendo un cuarto volumen a la trilogía, guiño a Los tres mosqueteros, de Alejandro Dumas, que en realidad eran cuatro.
Au revoir là-haut (2013; Nos vemos allá arriba) marca un cambio importante en su obra, que se convierte en una novela picaresca. Abandonando el género policíaco, Lemaitre permanece fiel al espíritu de sus primeras novelas, puesto que cita desde d’Émile Ajar a Stephen Crane, Victor Hugo y La Rochefoucauld, y otros que nombra en los agradecimientos, entre ellos especialmente a Louis Guilloux y Carson McCullers. En noviembre de 2013 recibe el premio Goncourt y encabeza la lista de bestsellers L’Express.
Les couleurs de l’incendie (2015; Los colores del incendio) constituye la segunda novela de esta trilogía que se completaría con Trois jours et une vie (2016; Tres días y una vida).
