Docteur d'État ès lettres et sciences humaines, Serge Lemoine enseigne depuis 1968 ; il a été notamment le premier titulaire de la chaire d'histoire de l'art du XXe siècle à l'école du Louvre, qu'il a occupée de 1981 à 1987. Depuis 1989, il est professeur à la Sorbonne. À partir de 1986, il a dirigé le musée de la ville de Grenoble dont il a assuré également la construction du nouveau bâtiment. Son action à la tête de cet établissement a été saluée en 1996 par l'attribution du grand prix national des Musées. C'est en 2001 qu'il a quitté cette institution à laquelle il aura donné une envergure internationale et un rayonnement nouveau, pour être nommé à la direction puis à la présidence du musée d'Orsay à Paris. Depuis 1970, Serge Lemoine a réalisé de très nombreuses expositions en France et à l'étranger pour promouvoir l'art du XIXe et du XXe siècle, notamment "Paris-Berlin" en 1978 (en collaboration) et "Kurt Schwitters" en 1995 au Centre Georges-Pompidou à Paris, plus récemment "Vers l'art moderne : de Puvis de Chavannes à Matisse et Picasso", au Palazzo Grassi à Venise en 2002, "Aux origines de l'Abstraction", présentée en 2003 et "Le Néoimpressionisme de Seurat à Paul Klee" en 2005, au musée d'Orsay, "Trésors impressionnistes des collections nationales françaises" montrée à Pékin, à Shanghai et à Hong Kong en 2004 et 2005 ; ou encore "Vienne 1900 : Klimt, Schiele, Moser, Kokoschka", au Grand Palais à Paris en 2005, "L'art de Monet et sa postérité" en 2007 à Tokyo. Serge Lemoine a publié de très nombreux articles et ouvrages dédiés à l'histoire de l'art de la fin du XIXe et du XXe siècle, ainsi qu'à l'art contemporain.