Il est considéré comme l'un des maîtres de la peinture animalière française, spécialisé dans les scènes de chasse. Son père était un riche négociant en vin et son oncle, Louis Lamothe-Langon, était également peintre animalier.
Lamothe-Langon a commencé sa carrière à l'Académie des beaux-arts de Bordeaux où il étudia sous la direction d'Édouard Detaille et Paul Baudry. Il poursuivit ses études à l'École nationale supérieure des beaux-arts de Paris.
En 1879, Lamothe-Langon remporta un concours qui lui permit d'obtenir une bourse du ministère de l'Instruction publique pour achever ses études en Italie. Il séjourna notamment à Rome et Florence où il réalisa plusieurs portraits et scènes de genre ainsi que des dessins animaliers.
De retour en France, Lamothe-Langon exposa pour la première fois au Salon des artistes français en 1880 et obtint rapidement une médaille d'argent. Il remporta également plusieurs autres récompenses et honneurs au cours de sa carrière, comme le Grand Prix de Rome en 1884.
En plus de ses activités artistiques, Lamothe-Langon était également un grand collectionneur d'art et un mécène. Il fit don à la ville de Bordeaux de son important cabinet de tableaux, constitué à partir des acquisitions effectuées pendant son séjour en Italie.
Malgré ses succès, Lamothe-Langon resta un peintre relativement peu connu du grand public et ne reçut que quelques commandes officielles. Cependant, ses œuvres furent très appréciées par les amateurs de la peinture animalière et sont toujours considérées comme des chefs-d'œuvre dans ce domaine.
Il est inhumé au cimetière de Montmartre à Paris.