Dès son arrivée en mission il étudie la langue chinoise et remplit la fonction de vicaire à la cathédrale de Jilin. Au mois de mai 1932, un an après son arrivée en mission, il est nommé curé de la cathédrale de Jilin, fonction qu'il va occuper jusqu'au mois de décembre 1936. Charles Lemaire cherche à encourager les vocations féminines dans l'Eglise, et en 1934, il fonde la congrégation de la Sainte Famille de Jilin pour accueillir des vierges consacrées, qui seront déjà plus de 73 en 1938, avant d'être interdites par le Parti communiste chinois. Du mois de janvier 1937 jusqu'au mois de décembre 1939, il a la charge du Grand Séminaire de Kirin. Après l’invasion du nord-est de la Chine par le Japon, une dizaine de circonscriptions ecclésiastiques se sont du jour au lendemain trouvées coupées du représentant du Saint-Siège en Chine. Face au refus de Gaspais de jouer le rôle d'ambassadeur du Vatican auprès du gouvernement du Mandchoukouo, le père Charles Lemaire est nommé pour jouer ce rôle. Il est appelé à devenir évêque non par le Pape, comme il se devrait, mais par le Cardinal Pietro Fumasoni-Biondi, préfet de la Congrégation "De Propaganda Fide". évitant ainsi de faire de lui un émissaire pontifical dans un territoire politique complexe. Nommé évêque d'Otrus et coadjuteur de Jilin, le 11 juillet 1939, il est sacré par Gaspais le 15 novembre suivant. Pendant toute la Seconde Guerre mondiale, son statut d'évêque coadjuteur et non de diplomate va habilement permettre au Saint-Siège de garder des relations avec les Eglises en Mandchourie, sans jamais reconnaître officiellement l'Etat du Mandchoukouo. A ce titre, Lemaire s'appuie sur des prêtres japonais, comme Paul Yoshigoro Taguchi, futur cardinal et archevêque d'Osaka, pour dialogue avec les forces d'occupations japonaises, qui accordent de nombreux honneurs et avantages à l'Eglise catholique, dans le vain espoir d'obtenir une reconnaissance diplomatique du Saint-Siège.