Am 9. Juli 2010 lief er bei den Französischen Meisterschaften in Valence die 100 Meter in 9,98 Sekunden und blieb damit als weltweit erster (und bis zum 22. Juni 2018 einziger) weißer Sprinter unter 10 Sekunden. Außerdem unterbot er damit den französischen Landesrekord von Ronald Pognon um eine Hundertstelsekunde. Am folgenden Tag sicherte er sich in 20,16 Sekunden auch den Titel im 200-Meter-Lauf und egalisierte damit den fast 23 Jahre alten französischen Rekord von Gilles Quénéhervé. Bei den Europameisterschaften 2010 in Barcelona gewann er auf der Distanz von 100 Metern in 10,11 Sekunden. Damit ist seit der Europameisterschaften 1962, wo Claude Piquemal gewann, wieder ein Franzose auf dieser Distanz Europameister. Auch über 200 Meter gewann er den Europameistertitel. Am letzten Wettkampftag holte er mit der 4-mal-100-Meter-Staffel seine dritte Goldmedaille bei diesen Europameisterschaften. Durch seine drei Siege ist Lemaitre der erste Athlet, der auf diesen drei Distanzen bei denselben Europameisterschaften jeweils die Goldmedaille gewann. Im selben Jahr wurde er von der Sportzeitung L’Équipe zu Frankreichs Sportler des Jahres („Champion des champions“) gewählt.