Jean-Loup Lemaitre est né d'une père directeur d’école primaire (École normale d’instituteurs de Rouen) et d'une mère institutrice.
Jean-Loup Lemaitre a fait ses études primaires à l’école de Saint-Hellier (Seine-Maritime) et ses études secondaires aux lycées Corneille de Rouen et Henri IV de Paris. Il a poursuivi ses études à la Sorbonne, puis à l’université de Paris IV (Michel Mollat du Jourdin), à l’EPHE, IVe Section (Robert Boutruche, François de Dainville, dom Jacques Dubois OSB, Paul-Marie Duval, Bernard Guenée, Charles-Marie Higounet, Robert Marichal, Pierre Toubert), à la VIe Section, puis à l’École des hautes études en sciences sociales (Jean Glénisson). Après être devenu bachelier ès lettres à l'université de Caen en 1963, il a été licencié ès lettres à la Sorbonne en 1967. Il devient maître ès lettres toujours à la Sorbonne en 1968, puis docteur en histoire à l'université de Paris IV en 1972. Il a obtenu le diplôme de l’EHESS en 1975 et celui de la IVe Section de l’EPHE en 1976. Il devient docteur d’État ès lettres et sciences humaines à l'université de Paris IV en 1989.
Il a été directeur d'études non cumulant de 1989 à 2010, puis directeur d'études émérite de 2010 à 2014.
De 1969 à 1989, il a été ingénieur de recherche au CNRS, attaché à l’Institut de recherche et d’histoire des textes, à Paris puis à Orléans. Il a été auxiliaire de l’Académie des Inscriptions et Belles-Lettres pour le Recueil des Historiens de la France (Obituaires) depuis 1971.
Jean-Loup Lemaitre a été membre du Comité directeur du Repertorium Fontium Historiae Medii Aevi de Rome de 2001 à 2010.
Il a été conservateur des musées classés et contrôlés en 1976, conservateur (bénévole) du musée du pays d’Ussel (musée de France), secrétaire de la Revue d’histoire de l’Église de France de 1979 à 2010, et directeur de la revue de 2011 à 2014. D'autre part, il a été président du Centre Trobar, Conseil général de la Corrèze de 2001à 2010.
Spécialisé dans l’étude du “livre du chapitre”, nécrologes et martyrologes associés. Les travaux ont notamment porté sur les documents nécrologiques de la France médiévale : Répertoire des documents nécrologiques français (5 vol. in-4°, 1980-2008), édition des obituaires de l’abbaye Saint-Pierre de Solignac (1984), du chapitre Saint-Honoré de Paris (1987), des prêtres-filleuls de Liginiac (1994), du chapitre cathédral de Rodez (1995), des célestins de Marcoussis (1999), de l’abbaye de Saint-Guilhem (2004), de l’abbaye de la Sauve-Majeure (2009), de l’hôpital des Quinze-Vingts de Paris (2010), du chapitre cathédral Saint-Just et Saint-Pasteur de Narbonne (2013), de la Grande Chartreuse (2015), du chapitre cathédral Saint-Étienne de Limoges (2016) ; — sur l’histoire monastique et canoniale de la France méridionale, du Limousin au Languedoc, en s’attachant plus particulièrement aux textes, aux manuscrits et aux bibliothèques : Mourir à Saint-Martial, publication du cartulaire de la chartreuse de Bonnefoy (1990), de la chronique du moine limousin Bernard Itier (1998), des calendriers de Saint-Pierre-du-Queyroix de Limoges (2004), des statuts de l’évêque Jean de Vissec pour le chapitre de Maguelone (2009) et des Portraits de troubadours (BNF et BAV), en collaboration avec Françoise Vielliard (2006-2007). Collaboration à la traduction française du martyrologe romain. Les publications parues depuis 1990 ont été pour la plupart élaborées dans le cadre des conférences de la Section et on en retrouvera année par année la présentation dans l’annuaire de la Section.
Bibliographie dans un recueil d’articles à paraître chez Droz dans la collection « Hautes Etudes médiévales et modernes. »
Il a été membre résident et président (2013) de la Société nationale des Antiquaires de France, président de 2001 à 2010 du « Centre Trobar », fondé par le conseil général de la Corrèze pour l’étude et la promotion des langues et cultures occitanes.