A los diez años se marchó a París, donde inició sus primeros estudios. Posteriormente tocó la guitarra y cantó en un night-club con un grupo de zíngaros, llegando a los diecisiete años a debutar como clown-trapecista en el Circo de Invierno de París.
A los trece años se inició como cantante y actor cómico en revistas y espectáculos musicales. En 1937 debuta en la televisión y en 1945 fue llamado a Hollywood por la RKO debutando en el cine.
Pese a su infancia enfermiza, plagada de achaques e intervenciones quirúrgicas, Lemmon frecuentó los más selectos centros docentes de Nueva Inglaterra.
Terminados sus estudios primarios trabajó como camionero. Durante la Segunda Guerra Mundial fue movilizado, sirviendo como oficial artillero. Al regresar a la vida civil decide ser actor y se matriculó en Randal School de Hartford.
Desoyendo los consejos de su padre que quería que fuese contable, David Lean inició su carrera en 1928 mediante un minucioso aprendizaje (auxiliar de ayudante, montador de segunda, montador-auxiliar de noticiarios y montador de largometrajes).
Tras cursar estudios universitarios comenzó a trabajar para la radio, hasta que fue contratado para actuar en el cine debido fundamentalmente a su aspecto físico.
Sus comienzos artísticos se producen con Elia Kazan y Lee Strasberg en el teatro, medio para el que trabajó hasta finales de los cincuenta alternándolo con el cine.
Hija de la actriz inglesa Jean Grahame, empezó haciendo teatro muy joven, siendo contratada como suplente de la primera vedette en varias ocasiones y realizando su primer filme en 1944, contratada por la Metro.