Jómódú pesti polgárcsaládban látta meg a napvilágot 1845. augusztus 27-én. Ügyvéd apjának téglagyára is volt, így korán megismerkedett az építőanyagokkal. 1865-től a József Ipartanodában (a későbbi Műegyetemen) Skalnitzky Antal tanítványa volt, majd a berlini építészeti akadémián képezte magát. Itt lett a klasszicizmus híve és került közelebbi kapcsolatba Pártos Gyulával és Hauszmann Alajossal. 1868-ban társult Pártossal, akivel 1897-ig dolgoztak együtt. Lechner 1875 és 1878 között Clément Parent párizsi irodájának munkatársaként reneszánsz kastélyok helyreállításán dolgozott, és egy időre a francia reneszánsz elkötelezett híve lett. Huszka József néprajzkutató hatására az indiai és perzsa díszítőművészetet is tanulmányozta, így fejlesztett ki lépésről lépésre egy jellegzetesen magyar stílust.
Hazatérése után Pártossal több pályázaton nyertek, ők tervezték 1883-ban a szegedi Városházát, 1886-ban a budapesti Drechsler-palotát és több eklektikus stílusú pesti bérházat, például a Váci utcai Thonet-palotát. Az Andrássy úti, az Operaházzal szemben látható, később a Balettintézetnek otthont adó Drechsler-palota még a franciás historizmus jegyeit viseli magán, de már itt is megmutatkozott Lechner egyéni látásmódja. 1889-ben Angliában tett tanulmányutat Zsolnay Vilmossal, a pécsi porcelángyár vezetőjével, barátságuk és ottani tapasztalatai – a Kensington Múzeum kerámiagyűjteménye, vidéki kastélyok bejárása, a koloniális stílus megismerése – tovább alakították egyéni kifejezésmódját. Lechner keleties, színes ornamentikájú, mégis fegyelmezett szerkezetű épületeket álmodott meg. Magyaros formavilágának jellegzetes példája az Iparművészeti Múzeum (1896, Pártossal), a kecskeméti Városháza (1897, Pártossal), a Postatakarékpénztár Hold utcai épülete (1901, Baumgarten Sándorral) és az egyedül tervezett Magyar Állami Földtani Intézet (1899) szecessziós épülettömbje a Stefánia úton.
Művei hatalmas érdeklődést váltottak ki, de igencsak megosztották a közönséget. Az Iparművészeti Múzeumra kiírt pályázaton a bírálóbizottság a 12 pályamű egyikét sem tartotta közvetlen kivitelezésre alkalmasnak, de végül Lechner és Pártos „Keletre magyar!” jeligéjű tervsorozatának adta az első díjat. Az épület heves vitákat váltott ki, „a cigánykirály palotájának” csúfolták, de mára a magyar szecessziós építészet egyik legértékesebb darabjaként tartják számon. Nem járt jobban a Postatakarékpénztár épülete sem, amelyet a korabeli sajtó szerint „lelkesedők és gúnyolódók” nagyobb számban kerestek fel, mint az ügyfelek. Lechner balszerencséjére a bírálók közé tartozott a kultuszminiszter is, aki még a parlamentben is szóvá tette az „építészeti ballépésre” kidobott pénzt. Az építész ettől kezdve állami megbízást nem kapott, mesteriskoláját nem engedélyezték, még követőinek alkotásai is csak számos módosítással valósulhattak meg.
Lechner visszafogottabb művei közé tartozik Zala György szobrász műteremvillája (1899) Budapesten és a szegedi Deutsch-palota (1900) homlokzata. A kőbányai Szent László-plébániatemplom (1899) több tervváltozaton át jutott el az első, bizáncias elképzelésektől a megépült keresztházas, egy fő- és két kísérőtoronnyal díszített, gótizáló változatig. Utolsó megvalósult alkotása a pozsonyi Katolikus Főgimnázium és a mellette álló Kék templom, Erzsébet királyné emléktemploma volt 1913-ban.
Lechner a szecesszió művésze volt, magyar kezdeményezésre a katalán Antoni Gaudí és Lechner Ödön halálának évfordulóján, június 10-én ünnepli a világ a szecesszió napját. A századforduló jellegzetes képző- és iparművészeti, irodalmi irányzatát Franciaországban Art Nouveau (új művészet), Nagy-Britanniában modern style (modern stílus), Németországban Jugendstil, az osztrák-Magyar Monarchiában szecesszió névvel illették (a szecesszió elszakadást, a múlttal való szakítást jelent). A stílusként nehezen értelmezhető, historizmus- és eklektikaellenes mozgalom főbb jellemzői a nagymértékű stilizálás, a növényi vagy geometrikus mintákra építő, hullámzó ornamentika, hangsúlyos, élénk színek alkalmazása, „organikus” jellegű formálás.
Lechner művészete többet nyújt a kor átlagos alkotásainál, stílusának fő jegyei a pécsi Zsolnay gyárban készült színes majolika-, pirogránit- és eozindíszek. Egyetemes igényű, mégis magyar formanyelve a keleti, a nyugati és a magyar népi művészetből egyaránt merített. Áttekinthető épületszerkezeteivel, festői tércsoportosításával, anyaghasználati és szerkezeti újításaival a korszerű építészeti törekvések európai rangú képviselője volt, aki a magyar népművészet formavilágát a magas építészet szférájába emelte.
A társasági élet aktív tagjaként is ismert volt, gyakran időzött a Japán Kávéházban barátaival, többek között Szinyei Merse Pállal és Rippl-Rónai Józseffel. A közeli ismerősei által csak Papszinak becézett építészről így számos anekdota, legenda és nem utolsósorban portré maradt fenn.
Lechner Ödön 1914. június 10-én halt meg Budapesten. Szobra az Iparművészeti Múzeum előtt áll, 2001-ben posztumusz Magyar Örökség-díjjal ismerték el a magyar építészetet megújító munkáját, Budapesten fasor viseli nevét. Halálának centenáriumán, 2014-ben munkásságát bemutató kiállítást rendeztek az Iparművészeti Múzeumban, 2015-ben, születésének 170. évfordulóján Az alkotó géniusz címmel nyílt mozgókiállítás a budapesti metró szerelvényeiben.
