Hijo del filósofo y matemático Pierre Lemonnier, registró su primera observación astronómica antes de cumplir 16 años, y la presentación de un elaborado mapa lunar le llevó a ser nombrado miembro de la Academia de las Ciencias francesa en 1736, cuando contaba sólo 20 años de edad.
Ese mismo año fue elegido para participar en la expedición de 1736–1737 a Laponia, dirigida por Pierre Louis Maupertuis y Alexis Claude Clairaut, para determinar si la Tierra era un elipsoide aplanado en los polos.
En 1738, poco después su retorno, explicó en una memoria leída ante la Academia, las ventajas del método de John Flamsteed para determinar las ascensiones rectas.
La determinación de los cambios en la refracción atmosférica en verano e invierno y la reforma de las tablas solares, cuentan entre sus mejores contribuciones a la astronomía.
Se le atribuyen también numerosas observaciones de la supuesta estrella que resultó finalmente ser el planeta Urano, hasta que fue descubierto por Sir William Herschel en 1781.