Lucien Gautier est issu de la famille Gautier de Genève, originaire de Gex. Il est le fils de l'astronome Émile Gautier et d'Élizabeth-Pauline-Victorine (née le ), fille de Louis Jean Sarasin (1776-1834) ; son frère est le futur directeur de l'Observatoire de GenèveRaoul Gautier (1854-1931)[1].
Le , il épouse Berthe Victoire (1858-1939), fille du banquier Charles Hentsch (1826-1902) ; ensemble, ils ont cinq enfants.
Lucien Gautier se rend en Palestine de 1893 à 1894 et en 1899, et il écrit Au-delà du Jourdain en 1895.
Sa découverte des recherches sur la théorie des sources du Pentateuque de Julius Wellhausen, ainsi que l'exégèse historico-critique de l'Ancien Testament, ont été décisives pour son parcours de vie.
Durant sa retraite à Genève, il écrit ses œuvres majeures, Souvenirs de Terre Sainte en 1898 et Autour de la mer Morte en 1901, et surtout, de 1909 à 1914, l'Introduction à l'Ancien Testament en deux volumes, qui restera la clé de l'exégèse allemande pour les protestants francophones pendant plus d'un demi-siècle.
En 1885, 1886, 1891 et 1892, il a été président du synode de l'église libre vaudoise.