Après des études à l'Institut des hautes études cinématographiques (IDHEC), Didier Lemoine commence sa carrière en écrivant des scénarios pour des séries télévisées et des courts-métrages avant de passer à la réalisation. Il a notamment écrit le scénario du film "Le Grand Blond avec une Revolver" en 1967, réalisé par Sergio Leone.
En 1982, il sort son premier long-métrage, "La Balance", qui marque les débuts de la comédienne Miou-Miou. Cette même année, il réalise "L'Étoile du Nord", un film d'aventure et d'action où Michel Sardou interprète le rôle principal.
En 1987, Didier Lemoine atteint un grand succès commercial avec le film "Les Bronzés font du ski", qui raconte les aventures de plusieurs jeunes filles en vacances au ski. Ce film est suivi par deux autres films, "Les Bronzés 2 : La Classe de neige" (1993) et "Les Bronzés 3 : Amis pour la vie" (2006).
En 1991, il réalise un autre film à succès, "Trop belle pour toi", avec Christian Clavier et Marie-Anne Chazel. Ce film raconte l'histoire d'une jolie femme qui se rend compte que son mari la trompe régulièrement.
En 2003, Didier Lemoine réalise "Les Choristes", un film inspiré de la vie du chef d'orchestre Clémentine Célestin. Ce film raconte l'histoire d'un jeune homme qui prend en charge une école pour garçons difficiles et tente de les former à chanter ensemble. "Les Choristes" est nommé aux Oscars et remporte plusieurs prix, notamment le César du meilleur film.
Didier Lemoine a également réalisé des publicités pour des marques telles que Renault et Coca-Cola. Il a également dirigé quelques épisodes de séries télévisées, comme "Les Cordier, juge et flic" et "Le Tuteur".
En 2015, Didier Lemoine est décoré chevalier de la Légion d'honneur par le ministre de la Culture, Fleur Pellerin. Il est également membre de l'Académie des beaux-arts et officier de l'ordre national du Mérite.
Aujourd'hui, Didier Lemoine continue à travailler dans le monde du cinéma français et est considéré comme un des réalisateurs les plus talentueux de sa génération.