Pierre Lemaitre ha insegnato per molti anni letteratura, ed è approdato tardi alla carriera di scrittore e sceneggiatore.
Nel suo primo romanzo, Travail soigné, Lemaitre ha reso omaggio ai suoi maestri (Ellroy, McIvanney, Easton Ellis, Gaboriau). Il libro è stato insignito del Prix du premier roman al Festival di Cognac nel 2006.
Il Dizionario delle letterature poliziesche, a proposito del libro, ha sottolineato come il "romanzo si faccia ricordare per alcune scene di estrema violenza". A questo proposito, l'autore ha avuto occasione di chiedersi "Nei fatti di assassinio, come si definisce un limite 'ragionevole'?"
Il suo secondo romanzo, Robe de marié, è un thriller puro. L'autore spiega di essersi ispirato nella stesura di questo romanzo al titolo di un saggio scritto da Harold Searles, Lo sforzo per far impazzire gli altri e di aver voluto scrivere un libro dal quale Hitchcock avrebbe voluto trarre un film.
Cadres noirs (2010) mostra un ulteriore cambio di direzione. Thriller sociale, è una denuncia vibrante contro la finanza e il management, che l'autore sostiene essere "una delle grandi rapine del secolo".
La sua opera Alex, prima ad esser tradotta in italiano, riprende il protagonista del primo romanzo, il comandante di Polizia Camille Verhoeven, coniugando la vicenda narrata con lo stile adottato in Robe de marié.
I romanzi di Lemaitre sono tradotti in diverse lingue. In Italia le opere di Pierre Lemaitre sono state pubblicate da Fazi e Mondadori. Con quest'ultimo ha pubblicato inoltre Ci rivediamo lassù (2014), vincitore del Premio Goncourt, Tre giorni e una vita (2016) e I colori dell'incendio (2018).
Tra gli altri titoli, Il giallo secondo me. Dizionario d'autore dalla A alla Z (2021), Il serpente maiuscolo (2022), Il gran mondo (2022), Il silenzio e la collera (2023), Dizionario amoroso del giallo (2024).