Va aconseguir la medalla d'or a la prova dels 100 m. al Campionat d'Europa d'atletisme de 2010 de Barcelona amb un temps de 10'11. L'endemà, després d'avançar còmodament a les classificatòries de 200 metres llisos, aconseguí proclamar-se doble campió europeu en vèncer a la recta final amb un temps de 20'37 segons, guanyant al britànic Christian Malcolm per 0'01 (essent la millor marca de la temporada de Malcolm). Finalment, Lemaitre certificà el triplet de medalles d'or al vèncer a la prova de relleus 4x100 m. per davant dels combinats d'Itàlia i Alemanya, formant equip amb Jimmy Vicaut, Pierre-Alexis Pessonneaux i Martial Mbandjock, aturant el cronòmetre en 38'11 segons. Al míting mundial de la IAAF celebrat el 29 d'agost a Rieti (Itàlia) va competir als 100 metres llisos, igualant la seva millor marca a la sessió classificatòria i millorant-la en un segon a la final, amb un temps de 9'97 segons i una reacció de 0'199.