Han ble utdannet cand.theol. i 1876. I 1880 dro han til Australia. Her tilbrakte han fire år hvor han utforsket ukjente områder i Queensland og identifiserte flere nye pattedyr. Han bodde også en periode sammen med Australias urbefolkning. I 1886 avslo han et tilbud om å bli konservator ved Arendal Museum. I stedet dro han til USA og bosatte seg der omkring 1890. Lumholtz oppdaget flere nye plante- og dyrearter og studerte urfolk i Mexico i årene 1890–1910. Reisene var på oppdrag av blant andre American Museum of Natural History og American Geographical Society, og en stor samling fotografier var ett av resultatene av reisene.