Depois de ter estudado nos Estados Unidos e de um começo de carreira como músico nos porões de Saint-Germain des Prés, Pierre Lhomme começa a frequentar a École nationale Louis Lumière (classe "cinema"), concluindo-a com a obtenção do seu diploma em 1953. Dois anos depois, em 1955, inicia-se como assistente de operador.

Considerado como próximo da Nouvelle Vague, o seu trabalho como diretor de fotografia feito em Le Combat dans l'île, de Alain Cavalier, destaca-se. A partir de 1980 ele trabalhou várias vezes com James Ivory.

Lhomme morreu em 5 de julho de 2019, aos 89 anos de idade.