Després de concloure els seus estudis de medicina, el 1952 va començar a treballar com a investigador del CNRS, del qual va arribar a ser director deu anys més tard. Es converteix en expert internacional de França sobre radiacions atòmiques.
El 1958, a l'edat de 32 anys, descobreix la primera anomalia cromosòmica en l'home: la trisomia 21.
Més tard, amb els seus col·laboradors, descobreix el mecanisme de moltes més malalties cromosòmiques, obrint així la via a la citogenètica i a la genètica moderna.
El 1964, és el primer professor de Genètica Fonamental en la Facultat de Medicina de París. L'any següent és nomenat cap del servei de la mateixa especialitat a l'hospital Necker-Enfants Malades, de la capital francesa. Allí va treballar fins a la seva mort en l'atenció als nens malalts, buscant teràpies eficaces contra les anomalies causants de subnormalitat i investigant sobre les afeccions d'origen genètic en general.
És doctor Honoris causa, membre o premiat de nombroses acadèmies, universitats o comunitats d'intel·lectuals estrangeres. És també membre d'acadèmies estrangeres, com la de Ciències de Suècia, la nord-americana d'Humanitats i Ciències (Boston), o la Reial Societat de Medicina de Londres. Va rebre diversos guardons científics, tant a França com en altres països, ja que era reconegut com un dels primers experts mundials en genètica.
El seu compromís en defensa de la vida humana es traduïa en contínues intervencions públiques i en l'activitat dins de l'associació "Laissez-les vivre", de la qual va ser conseller científic i un dels promotors. També era president de "Secours aux futures mères", organització dedicada a ajudar a embarassades que es troben en situacions difícils.
El 28 de juny de 2007 es va iniciar la causa de beatificació i canonització del professor Lejeune. El procés diocesà es va concloure l'11 d'abril de 2012 a la catedral de Notre Dame de París.[2]
Lejeune, Clara. Dr. Lejeune : el amor a la vida (1999), Ediciones Palabra, ISBN 978-84-8239-378-0
Lejeune, Jérôme [et al.] Avances mèdicos i psicopedagògicos sobre la síndrome de Down (1991) Fundació Catalana Síndrome de Down, ISBN 978-84-404-9513-6
Lejeune, Jérôme. ¿Qué es el embrión humano? (1993) Ediciones Rialp, ISBN 978-84-321-2975-9
Le Mené, Jean Marie. El profesor Lejeune, fundador de la genética moderna (2013) Ediciones Encuentro, ISBN 978-84-269-0469-0
