Serge Lemoine est un historien dart. Né à Laon le 8 mars 1943, il obtient une licence en histoire et géographie à l'Université de Dijon et un doctorat d'État en histoire de l'art. Spécialiste de l'art abstrait, et particulièrement de l'abstraction géométrique, il est successivement assistant (1969-1978), maître assistant (1978-1984), maître de conférences (1984-1986) à la faculté des sciences humaines de Dijon et professeur à l'École du Louvre (1981-1988) - où il crée la chaire d'Art du XXe siècle - et chargé de cours à l'Université Paris IV - Sorbonne (1983-1986). Il est parallèlement délégué à la création artistique pour la région de Bourgogne (1969-1981).
En 1986, il est nommé directeur du Musée de Grenoble, fonction qu'il occupe jusqu'en 2001. Il est alors appelé à assurer la présidence du Musée d'Orsay. Atteint par la limite d'âge en mars 2008, il devient conseiller de la maison de ventes Artcurial Briest - Poulain - F. Tajan.
Il a été promu officier de la Légion d'honneur en 2008.