Zamiast tego studiował i nauczał w różnych instytucjach: był studentem École des Mines, preparatorem (asystentem przygotowującym pokazy) astronoma Pierre’a Janssena w szkole architektury oraz zastępcą swojego dawnego profesora Kiœsa na kursie przygotowawczym École des Beaux-Arts. Ponadto uczył się chemii w laboratorium Charles’a Adolphe’a Wurtza i uczęszczał na zajęcia szkoły medycznej. Wykładał także w różnych paryskich placówkach naukowych i przez pewien czas pracował jako prywatny nauczyciel, zanim przyjął stanowisko profesora w École polytechnique.
Lata dojrzałe (1870–1887) mały|École polytechnique, gdzie Lemoine studiował i przez pewien czas nauczał W 1870 choroba krtani zmusiła go do przerwania pracy dydaktycznej. Po krótkim pobycie w Grenoble wrócił do Paryża i opublikował część swoich pozostałych badań matematycznych. Brał również udział w zakładaniu kilku towarzystw naukowych i czasopism, takich jak (), oraz – na początku lat 70. XIX wieku.