Christophe Lemaitre a commencé la pratique de l'athlétisme à l'âge de six ans, suivant les traces de son père, qui était également athlète. Il a ensuite été formé au Centre national d'entraînement des athlètes en haut niveau (CNEAN) de Saint-Maurice-en-Valois.
En 2006, il a remporté les championnats de France juniors sur 100 mètres. En 2009, il devient champion de France et champion d'Europe espoirs en relais 4 x 100 mètres avec ses coéquipiers Teddy Tinmar, Sylvain Lefrançois et Jimmy Vicaut.
En 2010, Christophe Lemaitre est sélectionné pour les championnats d'Europe de Barcelone, où il termine quatrième du 100 mètres, soit la meilleure performance européenne de l'année derrière l'américain Tyson Gay. Il s'agit également de sa première sélection en équipe de France senior.
Lors des Jeux olympiques d'été de 2012 à Londres, Christophe Lemaitre se qualifie pour la finale du 100 mètres en terminant deuxième de sa demi-finale avec un temps de 9 s 86, battant ainsi son record personnel et établissant le meilleur temps jamais réalisé par un athlète français sur cette distance. Il termine finalement sixième de la finale olympique en 9 s 93 derrière Usain Bolt qui remporte l'or en établissant le nouveau record du monde en 9 s 63.
En 2016, Christophe Lemaitre participe à ses seconds Jeux olympiques d'été à Rio de Janeiro, mais ne parvient pas à se qualifier pour la finale du 100 mètres. Il a également participé aux championnats du monde en 2011, 2013 et 2015 sans remporter de médaille.
En 2017, il annonce qu'il met un terme à sa carrière internationale. Cependant, il a continué à courir sur piste jusqu'en 2019. En 2020, il annonce qu'il se tourne vers les épreuves de demi-fond et de fond en vue des Jeux olympiques d'été de 2024 à Paris.
En dehors de sa carrière sportive, Christophe Lemaitre est également connu pour son engagement en faveur de la lutte contre le sida et du droit à l'avortement.