Lehmanns Kindheit in Hohenzollern war geprägt durch Krieg und Nachkriegszeit, eine religiöse Sozialisation und die bescheidenen finanziellen Verhältnisse einer Volksschullehrerfamilie. Für die gymnasiale Ausbildung der Söhne ließ der Vater sich 1945 nach Sigmaringen (Hohenzollern) versetzen, sodass Lehmann hier das Gymnasium besuchen und 1956 das Abitur ablegen konnte. Seit 1956 studierte Lehmann Katholische Theologie an der Universität Freiburg im Breisgau und wurde im folgenden Jahr als Hochbegabter von der Erzdiözese Freiburg zum Studium an die Pontificia Università Gregoriana nach Rom geschickt, wo er 1962 mit der umfangreichen philosophischen Arbeit „Vom Ursprung und Sinn der Seinsfrage im Denken Martin Heideggers“ zum Dr. phil. promoviert wurde. Zu Martin Heidegger (1889–1976) und v. a. dessen Bruder Fritz Heidegger (1894–1980) pflegte er persönliche Kontakte.

Zu Beginn des Zweiten Vatikanischen Konzils 1962 wurde Lehmann als Hilfskraft Karl Rahner SJ (1904–1984) zugeordnet, der ihn, nach Priesterweihe und Abschluss des Theologiestudiums 1963 sowie der Freistellung durch den Freiburger Erzbischof Hermann Schäufele (1906–1977) 1964, als wissenschaftlichen Assistenten an die Universität München in die Philosophische Fakultät sowie 1967 nach Münster an die Theologische Fakultät mitnahm. Da Rahner in München keine Promotionen in Theologie durchführen durfte, holte Lehmann diese Qualifikation 1967 mit der Dissertation „Auferweckt am dritten Tag nach der Schrift“ bei Édouard Dhanis SJ (1902–1978) an der Gregoriana nach. Die Zusammenarbeit mit Rahner führte zu formal gemeinsamen Publikationen, die aber vollständig von Lehmann verfasst wurden. Auf der Grundlage dieser Publikationen und befürwortender Gutachten von Rahner und Joseph Ratzinger (1927–2022) erhielt Lehmann 1968 ohne Habilitation einen Lehrstuhl für Dogmatik II an der Universität Mainz.

In seiner Zeit als Professor in Mainz engagierte sich Lehmann intensiv für kirchlich-organisatorische und beratende Belange, wie der beginnenden Vorbereitung der Gemeinsamen Synode der Bistümer in der Bundesrepublik und seit 1969 als Mitglied der Glaubenskommission der Deutschen Bischofskonferenz. Gleichzeitig begann sein wissenschaftliches ökumenisches Engagement, etwa 1969 im Ökumenischen Arbeitskreis evangelischer und katholischer Theologen, dem er bis zu seinem Tod angehörte.

Lehmanns theologisches Profil zeigte sich bereits in seiner Antrittsvorlesung über die theologische Hermeneutik 1968 und in differenzierten Studien zur Sakramententheologie (die zu seinem Mainzer Lehrdeputat gehörte) unter breiter Einbeziehung humanwissenschaftlicher Erkenntnisse sowie zu dogmatisch problematischen Fragen praktischer Theologie mit hoher pastoraler Bedeutung (z. B. Ehetheologie, Interkommunion). Seelsorgerliches Engagement gehört neben der wissenschaftlichen Tätigkeit besonders in Freiburg durchweg zu seinem Profil.

1971 lehnte Lehmann einen Ruf nach Münster ab und folgte einem auf die Professur für Dogmatik und Ökumenische Theologie an die Universität Freiburg im Breisgau, den er – nach Bleibeverhandlungen in Mainz – so ausstatten konnte, dass er eine eigene Ökumenische Abteilung mit Assistentenstelle erhielt. Sein breit angelegtes Lehrdeputat führte ihn zu Arbeiten über die zentralen theologischen Traktate (Gotteslehre, Christologie), die aber wegen seines Wechsels in das bischöfliche Amt weitgehend zerstreut publiziert blieben. Einen Ruf an die Universität Tübingen lehnte Lehmann 1981 ab.

Als Mainzer Bischof widmete sich Lehmann seit 1983 aktuellen Problemen der Pastoral, so in seinem ersten Fastenhirtenbrief zum Thema „Nichteheliche Lebensgemeinschaften und christliche Ehe“ (1984) und 1993 in dem mit den Bischöfen der Oberrheinischen Kirchenprovinz Oskar Saier (1932–2008) und Walter Kasper (geb. 1933) veröffentlichten Lehrschreiben „Zur seelsorglichen Begleitung von Menschen aus zerbrochenen Ehen, Geschiedenen und Wiederverheirateten“. Obwohl die pastorale Empfehlung auch auf Überlegungen Ratzingers beruhte, erfolgte ein römisches Verdikt, das von der Sache her unter Papst Franziskus (geb. 1936) gegenstandlos wurde. Lehmanns intensive Visitationstätigkeit führte zu zahlreichen, langjährigen Kontakten.

Als gefragter Berater der Bischöfe wurde Lehmann 1985 zum Stellvertreter des Vorsitzenden der Deutschen Bischofskonferenz, Joseph Kardinal Höffner (1906–1987), berufen, dem er 1987 als Vorsitzender nachfolgte. Nach drei Wiederwahlen gab er dieses Amt 2008 aus Gesundheitsgründen ab. Lehmanns Amtszeit war durch den Zusammenbruch des Ostblocks und die deutsche Wiedervereinigung sowie durch viele bioethische, aber auch juristische Kontroversen geprägt. Obwohl Mainz dafür kein klassischer Bischofssitz war, erfolgte 2001 im Nachgang vermutlich auf Initiative polnischer Bischöfe Lehmanns Erhebung in den Kardinalsstand.

Die großen Themen aus Lehmanns Zeit als Vorsitzender prägten seine Referate bei den Vollversammlungen der Bischofskonferenz („Zuversicht aus dem Glauben“, 2006, ergänzend: „Auslotungen“, 2016). In seine Amtszeit fällt auch die Kontroverse mit der römischen Kirchenleitung unter Papst Johannes Paul II. (1920–2005) (geprägt durch Kardinal Ratzinger) über die Beteiligung an der Schwangerschaftskonfliktberatung in der Bundesrepublik, die in dieser Form entgegen den Vorstellungen der Mehrheit der deutschen Bischöfe und ihres Vorsitzenden beendet werden musste. Die politisch schwierige gesetzliche Kompromissregelung zum Lebensschutz für Ungeborene in der Bundesrepublik nach der Wiedervereinigung war auch im Gespräch mit den Kirchen zustande gekommen. Neben seinen bischöflichen Aufgaben war Lehmann in der wissenschaftlichen Theologie publizistisch wie organisatorisch (z. B. als Mitherausgeber der Karl-Rahner-Gesamtausgabe 1995–2018) und als lehrender Honorarprofessor tätig.

Lehmann lässt sich theologisch keiner bestimmten Richtung zuordnen. Davon zeugt auch die thematische Breite der rund 30 bei ihm entstandenen Dissertationen, von denen viele ökumenische Themen behandeln. Viele seiner Schülerinnen und Schüler stiegen in bedeutende kirchliche und akademische Ämter auf.