Fils d'un professeur de mathématiques à l'Université de Paris VIII et de la directrice du centre de documentation du Planning familial, Lenormand est aussi le petit-fils d'un collectionneur d'art japonais, si bien que son enfance baigna dans la culture, la littérature et les mythes asiatiques. Après un bac de langues en 1982 (il parle russe, anglais et italien), il poursuit ses études à l'Institut d'études politiques de Paris puis à la Sorbonne.
À Madrid, en 1988, il écrit cinq romans coup sur coup afin de cerner ses possibilités littéraires. L'un d'entre eux, Le Songe d'Ursule, inspiré par le cycle de Carpaccio conservé au musée de l'Académie, lui vaut le prix Del Duca du jeune romancier.
En 1989, le montant du prix en poche, il va vivre à New York, où il écrit Les Fous de Guernesey ou les Amateurs de littérature, publié par les éditions Robert Laffont.
Dans les années 1990, il reçoit un certain nombre de prix, bourses et encouragements divers, dont la prestigieuse Bourse du Jeune Romancier de la Fondation Lagardère, le Prix Thyde-Monnier de la Société des gens de lettres, la bourse Villa Médicis Hors les Murs et le Prix François-Mauriac de l'Académie française.
La série Voltaire mène l'enquête reçoit en 2011 le prix Arsène-Lupin du roman policier, le prix du Zinc de la Ville de Montmorillon et le prix Historia du roman policier historique.
Auteur de romans historiques, il aborde d'abord le XVIIIe siècle, la Révolution, la Terreur, les maisons de santé transformées en prisons à cette époque - avec : La Pension Belhomme (sur les prisonniers de cette maison de fous), et Douze tyrans minuscules (sur les policiers qui les y enfermèrent).
Il glisse ensuite des policiers de la Terreur à ceux de la Chine ancienne, en donnant une suite aux romans chinois de Robert van Gulik avec Les Nouvelles Enquêtes du juge Ti.
Lenormand est parallèlement l'auteur de récits pour les enfants, dont le cycle de L'Orphelin de la Bastille (éditions Milan), centré également sur la Révolution française.
Les Nouvelles enquêtes du juge Ti sont traduites en allemand (Kuebler Verlag), en tchèque (Garamond), en espagnol (Ediciones Paidos Iberica), en portugais (Europress) et en bulgare (éditions Paradox).
Les Mystères de Venise sont traduits en allemand (Thiele Verlag) et en italien (Newton Compton Editori).
Je m'envole est traduit en italien (Ape Junior) et en coréen (Chung Ang Publishing et Woongjin pour l'édition de poche).
Angélique et le café est traduit en coréen (Chung Ang Publishing).
La Baronne meurt à cinq heures est traduit en coréen.
La série Au Service secret de Marie-Antoinette est traduite en serbe (éditions Vulkan) en italien (éditions Mondadori), en portugais (éditions Planeta), en hongrois (éditions Kossuth Kiadó), en grec (éditions Ελληνικά Γράμματα), en tchèque (éditions Garamond) et en russe (éditions Sindbad).
Madame la marquise et les gentlemen cambrioleurs est traduit en allemand (Editions Dumont).
Le Diable s’habille en Voltaire, Paris, Éditions Jean-Claude Lattès, 2013, 300 p. (ISBN978-2-7096-4290-3)
Rééd. Le Masque, coll. « Masque Poche » (no 39), 2014, 340 p. (ISBN978-2-7024-4080-3) ; Le Livre de poche, coll. « Policier » (no 33683), 2015, 288 p. (ISBN978-2-253-17778-4)
Crimes et Condiments, Paris, Éditions Jean-Claude Lattès, 29 janvier 2014, 337 p. (ISBN978-2-7096-4596-6)
Rééd. Le Masque, coll. « Masque Poche » (no 55), 2015, 350 p. (ISBN978-2-7024-4168-8) ; Le Livre de poche, coll. « Policier » (no 34119), 2016, 280 p. (ISBN978-2-253-18448-5)
Élémentaire, mon cher Voltaire !, Paris, Éditions Jean-Claude Lattès, 2015, 300 p. (ISBN978-2-7096-4861-5)
Rééd. Le Masque, coll. « Masque poche » no 70, 2016, 300 p. (ISBN978-2-7024-4569-3) ; Le Livre de poche, coll. « Policier » (no 34423), 2017, 245 p. (ISBN978-2-253-08621-5)
Querelle de Dieppe, Paris, Éditions Createspace, 2015, 92 p. (ISBN978-1-5196-5808-1)
Docteur Voltaire et mister Hyde, Paris, Éditions Jean-Claude Lattès, 2016, 280 p. (ISBN978-2-7096-5616-0)
Les Princesses vagabondes, Paris, Corps 16, , 240 p. (ISBN2-84057-260-5)
La Jeune Fille et le Philosophe : roman, Paris, Fayard, , 361 p. (ISBN2-213-60721-4, BNF37117293) — Roman relatif à une pupille de Voltaire, Mademoiselle Corneille, fondé sur une anecdote historique. En 1761, Voltaire, réfugié à Ferney, recueille une descendante de Pierre Corneille tombée dans la misère et l'éduque selon ses principes philosophiques, avec l'intention de faire d'elle la parfaite jeune fille des Lumières.[5]
Deux des ouvrages de cette série ont fait l'objet d'une réédition avec un nouvel illustrateur.
La Nuit de toutes les couleurs, Toulouse, Milan, coll. « Milan poche cadet : éclats de rire » (no 7), , 39 p. (ISBN2-84113-853-4, BNF37183141) — Ouvrage illustré par Émilie Chollat.
Une histoire à dormir debout, Toulouse, Milan, coll. « Milan poche cadet : aventure » (no 13), , 39 p. (ISBN2-84113-896-8, BNF37103076) — Ouvrage illustré par Gwen Keraval.
Une histoire à dormir debout, Toulouse, Milan, coll. « Milan poche cadet : aventure » (no 13), , 33 p. (ISBN978-2-7459-2824-5, BNF41385195) — Ouvrage illustré par Princesse Camcam.
Petit Lapin a disparu, Toulouse, Milan, coll. « Milan poche benjamin : quel mystère ! » (no 3), , 23 p. (ISBN2-7459-0054-4, BNF37189695) — Ouvrage illustré par Isabelle Chatellard.
Petit Lapin a disparu, Toulouse, Milan, coll. « Milan poche benjamin : quel mystère ! » (no 3), , 22 p. (ISBN978-2-7459-3633-2, BNF41468583) — Ouvrage illustré par Hervé Le Goff.
Je m'envole, Toulouse, Milan, coll. « Milan poche benjamin : quelle vie ! » (no 7), , 23 p. (ISBN2-7459-0058-7, BNF37189702) — Ouvrage illustré par Olivier Latyk.
Mademoiselle se marie : théâtre, Cholet, Éditions Hérault, , 46 p. (ISBN2-7407-0099-7, BNF35848342) — Ouvrage publié par « Les Trois Coups ». Premier Prix d'écriture théâtrale de l'association Les Trois Coups, Cholet, 1995. Créée en 1996 au Montmartre-Galabru, à Paris.
Le Gouffre de Kassopé, éditeur=Independently published 1994. Pièce en cinq actes créée le 10 septembre 2023 sur le site archéologique de Kassopé (Epire, Grèce) pour célébrer la restauration du théâtre antique.
Nouvelle
Écrits et chuchotements, dans l'anthologie À peine entré dans la librairie... La Griffe noire, 30 ans. Paris : Télémaque, 06/2018, p. 189-200. (ISBN978-2-7533-0357-7)