Barcelonan EM-kilpailuissa 2010 Lemaitre voitti kultaa 100 metrin juoksussa ajalla 10,11 ja 200 metrin juoksussa ajalla 20,37. Hän voitti kultaa myös Ranskan pikaviestijoukkueessa. Pariisin EM-hallikisoissa 2011 hän sai pronssia 60 metrillä ajalla 6,58. Daegun MM-kilpailuissa 2011 hän sijoittui 100 metrillä neljänneksi ajalla 10,19 ja sai 200 metrillä pronssia Ranskan ennätysajalla 19,80. Lemaitre oli myös mukana MM-hopeaa voittaneessa pikaviestijoukkueessa. Helsingin EM-kilpailuissa 2012 Lemaitre voitti kultaa 100 metrin juoksussa ajalla 10,09 ja juoksi myös Ranskan pikaviestijoukkueessa, joka sai pronssia ajalla 38,46. Lontoon olympialaisissa hän sijoittui 200 metrillä kuudenneksi ja Ranska pikaviestissä lopulta kolmanneksi, kun edelle sijoittunut Yhdysvaltain joukkue hylättiin Tyson Gayn dopingkäryn takia.