Les frères Lumière ont déposé plus de 170 brevets, essentiellement dans le domaine de la photographie. Ils lancent la commercialisation des plaques photographiques instantanées en 1881. La vente de ces plaques dites Plaques Étiquettes-Bleues a fait leur fortune. Mais contrairement à ce qui est affirmé en France, les frères Lumière n'ont ni tourné le premier film de l'histoire du cinéma, ni même inventé le cinéma. Ce sont les Américains, Thomas Edison, l'inventeur du phonographe, et son assistant William Kennedy Laurie Dickson qui tournent, à l'aide de leur caméra, le Kinétographe, dès 1891 et avant 1895 quelque soixante-dix des premiers films du cinéma. Les frères Lumière leur emboîtent le pas ; le 26 décembre 1894, on peut lire dans le journal Le Lyon républicain, que les frères Lumière « travaillent actuellement à la construction d’un nouveau kinétographe, non moins remarquable que celui d’Edison et dont les Lyonnais auront sous peu, croyons-nous, la primeur ». Les frères Lumière prennent à partir de 1895 une part prépondérante dans le lancement du spectacle de cinéma, prémisses d'une industrie florissante, en présentant à leur tour des films pris avec un appareil qu'ils ont mis au point sous l'appellation de Cinématographe. En 1907, ils sont à l'origine de l'obtention de la couleur sur plaque photographique, dite « autochrome », que Louis Lumière, qui paradoxalement n'aime pas le cinéma considère comme étant sa plus prestigieuse invention, celle à laquelle il a consacré plus de dix années de sa vie.
Auguste et Louis Lumière ont mis au point et commercialisé le premier procédé industriel de photographie couleur : l'autochrome.
Les Lumière sont des touche-à-tout. Ainsi, ils inventent la plaque photographique sèche, la photographie en couleur (1896), la photostéréosynthèse (procédé de photographie en relief, 1920) et le cinéma en relief en 1935 (par le procédé des anaglyphes).
Ils sont à la source de bien d'autres inventions ou théories, notamment dans l'univers médical. Auguste Lumière tente en particulier - sans succès, et sa rancœur envers ses collègues apparaît dans ses ouvrages - de diffuser une théorie des phénomènes colloïdes en biologie, théorie qui malgré ses approximations et ses nombreux postulats, développe une idée avant-gardiste de ce que sera l'immunologie moderne.
Il a été recensé 196 brevets + 43 additifs ayant comme titulaire " Lumière " (Brevets collectifs + sociétés Lumière + brevets individuels). Ils sont à la source de médicaments tels que le « Tulle gras » pour soigner les brûlés, la thérapeutique de la tuberculose grâce aux sels d'or et à la Cryogénine18, l'Allocaïne…
La demeure de leur père Antoine, située près de leurs anciennes usines, dans le 8e arrondissement de Lyon, est aujourd'hui un musée du cinéma : l'Institut Lumière présidé par le cinéaste Bertrand Tavernier et dirigé par Thierry Frémaux, directeur général de l'Institut Lumière.