Jean-Marie Lehn fait ses études supérieures à la faculté des sciences de l'université de Strasbourg, où il obtient la licence ès sciences physiques en 1960. Il devient alors stagiaire de recherche du CNRS dans le laboratoire de Guy Ourisson, puis attaché de recherche (1962). Il obtient en 1963, à l'université de Strasbourg, le doctorat ès sciences avec une thèse sur la résonance magnétique nucléaire de triterpènes. Après un séjour aux Etats-Unis, il obtient le statut de maître de conférences à la faculté des sciences de l'université de Strasbourg en 1966. Il est alors déjà chargé de recherche.
Il est nommé professeur titulaire à titre personnel en 1970.
Il a été, de 1980 à 2010, professeur au Collège de France à Paris, titulaire de la chaire de chimie des interactions moléculaires.
En 1968, ses recherches ont conduit à la réalisation de molécules en forme de cages comportant une cavité dans laquelle peut être insérée une autre espèce chimique de taille et de forme appropriées, comme une clé s'insère dans une serrure. Ainsi ont débuté ses travaux sur la base chimique de la « reconnaissance moléculaire » (c'est-à-dire la propriété qu'a une molécule servant de récepteur de reconnaître et de retenir un substrat), laquelle joue également un rôle important dans les processus biologiques.
Ces études lui ont valu le prix Nobel de chimie de 1987 partagé avec Donald J. Cram et Charles Pedersen, ainsi qu'un grand nombre de distinctions et de récompenses nationales et internationales : médaille d'or du CNRS en 1981 et Médaille Davy de la Royal Society en 1997.
Les travaux de Jean-Marie Lehn avec son équipe ont mené progressivement à la définition d'un nouveau domaine de la chimie, qu'il a proposé de nommer chimie supramoléculaire, parce qu'elle s'intéresse aux entités complexes formées par l'association de deux ou plusieurs espèces chimiques liées entre elles par des forces intermoléculaires, alors que la chimie moléculaire étudie les propriétés des entités construites à partir d'atomes liés par des forces covalentes.
À partir de la reconnaissance moléculaire, ses recherches se sont élargies en englobant la catalyse et les processus de transport supramoléculaires. Elles se sont aussi étendues à la conception de composants moléculaires comme bases de l'électronique et de la photonique moléculaires.
Un autre axe de développement concerne la conception de systèmes « programmés » capables d'auto-organisation par assemblage spontané de composants adéquats en des architectures supra moléculaires bien déterminées.
Il est membre de l'Académie des sciences, de l’Académie des technologies, et de bien d'autres académies internationales (ci dessous). En septembre 2006, il a été nommé membre du Haut conseil de la science et de la technologie.
Voir aussi sa page Wikipedia.