Székely kisbirtokos nemesi családból származott. Édesapja, nagyernyei Kelemen Miklós a marosvásárhelyi királyi ítélőtáblánál volt törvényszéki irodatiszt, édesanyja, albisi Csomoss Janka. Anyai nagyapja, Csomoss Miklós harcolt a 1848-as szabadságharcban. Középiskolai tanulmányait szülővárosában, a Református Kollégiumban végezte, s ezek az évek egész életét meghatározták. Ebben az időben tanított itt Koncz József, aki a történelem iránti szeretetét növelte. 1896 őszén a kolozsvári egyetem történelem?földrajz tanári szakjára nyert felvételt. Támogatója, Szádeczky-Kardoss Lajos révén került 1901-ben Gidófalvy István királyi közjegyző családjához házitanítónak, ugyanis megélhetéséhez dolgoznia kellett. 1902-ben Gidófalvy István ajánlására bekerült az Erdélyi Múzeum Könyvtárába, napidíjasként. 1903-ban az Egyetemi Könyvtár napidíjasaként állami szolgálatba került át. Először a Hírlapkönyvtárnál, majd a Régi Magyar Könyvtárnál, később az Erdélyi Múzeum-Egyesület (EME) Kézirattáránál dolgozott. 1907 májusában - miután itt nem véglegesítették - elfogadta a kolozsvári unitárius gimnázium harmadszori felkérését, s ennek tanára lett egészen 1918. május 1-jéig. Egyben a kolozsvári Unitárius Levéltár levéltárosává is megválasztották. 1918. május 1-jétől, mint szolgálattételre berendelt állami középiskolai tanár ismét az Egyetemi Könyvtár, illetve az Erdélyi Múzeum Levéltára munkatársa lett. 1920 szeptemberétől egészen nyugdíjazásáig, 1938. január 1-jéig itt dolgozott. A második bécsi döntés után múzeumi és levéltári főigazgatóként került vissza régi munkakörébe. Korhatár alapján 1942. július 1-jétől formailag ismét nyugdíjba vonult ugyan, de továbbra is megbízást kapott a főigazgatói és levéltári munkakör ellátására. Mindezek mellett tanított a kolozsvári Református Tanárképzőben, a református Teológiai Akadémián, az unitárius Teológiai Akadémián, a katolikus Szent József fiúnevelő intézet szemináriumában, tudományos előadásokat tartott szabadegyetemeken és számtalan EME rendezvényen.
Életének főműve az Erdélyi Múzeum-Egyesület levéltára volt. A 40 ezer darabot számláló gyűjteményt 1918-ig közel félmillióssá gyarapította, 1944-ben pedig állománya már megközelítette a 600 ezres darabszámot. Amikor a Román Szocialista Köztársaság Akadémiája Történeti Levéltárként átvette, már milliós nagyságrendről beszélhettek. Történetírói munkássága elsősorban Erdély középkori művelődés- és művészettörténetére terjedt ki. Tudományos munkásságát Marosszéki határnevek a XVI. és a XVII. századból című forrásközlésével kezdte meg (Székely Oklevéltár VI. 1897. 404?12.). A továbbiakban nagy lelkesedéssel publikált számos könyvet, tanulmányt és cikket a politikai történet, művészet-, művelődés-, egyház- és gazdaságtörténet, helytörténet, régészet, történeti néprajz, múzeum-, könyvtár- és levéltártörténet témaköréből. Írásainak 19 sűrűn nyomtatott oldalt kitevő, több mint 400 címszavas bibliográfiájából feltáruló történettudományi munkássága során 1902-ben jelentkezett először nagyobb munkával Kolozsvári Kalauz címen, mely három kiadást ért meg. Sok száz tanulmánya, cikke, adatközlése mélyreható levéltári kutatáson alapult.
Az Orbán Balázs, Kővári László, Jakab Elek és Rómer Flóris művein nevelődött Kelemen Lajos az erdélyi magyar polihisztorok késő utóda; mozgókönyvtárhoz hasonló emlékezőtehetségével, törhetetlen munkakedvével és önfeláldozó odaadásával egy hosszú életen át írásban és szóban vállalta a történelmi ismeretek terjesztését. Bár érdeklődési köre rendkívül széles volt és a történelem mellett jóformán a társadalomtudomány egész területére kiterjesztette vizsgálódásait, legszívesebben mégis Erdély XVI?XVII. századi történetével foglalkozott, s azon belül főleg a művelődési mozzanatok érdekelték. Szűkebb hazája múltját mindig az egyetemes emberi fejlődés részeként vizsgálta. A múlt, a letűnt élet mindennapi jelenségei vonzották, ezeket örökítette meg folyóiratok és napilapok hasábjain. A legnemesebb értelemben vett tudománynépszerűsítő munkát folytatta, de a kezéből kikerült munka mindenkor megbízhatóan ellenőrzött, a történelmi hűséget tükröző, a valóságnak megfelelő, szakszerűen kiművelt és művészien kidolgozott anyag volt, színes, élvezetes, olvasmányos formába öntve. Erdély múltjának e századbeli legjobb ismerője volt, gazdag ismeretanyagát azonban mégsem sűrítette átfogó, összefoglaló műbe. Öröksége kiindulópont a további kutatás számára. Munkássága, szaktudása és szolgálatkészsége egyaránt nagy hatással volt kortársaira: a szerény tudós íróasztala történettudományi központtá vált, egyénisége pedig példamutatóvá az újabb nemzedékeknek. 16 jelentős munkája maradt kéziratban. Ezek közül kiemelendő a Székely Oklevéltár IX. kötete számára végzett adatgyűjtése, az Erdélyi Múzeum kézirattárának ismertetése és Kolozsvár legrégibb polgárkönyvének (1589?1614) teljes másolata. Kéziratban maradt munkái közé lehet számítani emlékiratainak tekinthető naplóit is.
A Magyar Tudományos Akadémia 1938-ban tiszteletbeli tagjává választotta. Ezt a címet 1947 után visszavonták, de 1962-ben, felülvizsgálva a korábbi döntést, munkássága elismeréseként rendes tagnak választották meg. 1908-ban az Erdélyi Irodalmi Társaság, 1910-ben a marosvásárhelyi Kemény Zsigmond Társaság választotta tagjává. Az Erdélyi Múzeum-Egyesület 1927-ben fogadta igazgató-választmányi tagjául. Számtalan társadalmi feladatot is vállalt: az Erdélyi Népmívelési Bizottság; a Könyv és Levéltárosok Egyesülete, az Országos Cserkész Főtanács, az Unitárius Irodalmi Társaság elnökségében, a Magyarországi Unitárius Egyház fő- és képviselő tanácsának tagjaként, a Kolozs-Dobokai Egyházkör egyik felügyelő gondnokaként és az Unitárius Egyház főgondnokaként.
Fő művei: Kolozsvári Kalauz. Kolozsvár, 1902.; A kolozsvári Bethlen-bástya történetéhez. Erdélyi Múzeum, 1905.; Nagy Szabó Ferenc ifjúkora. In: Az Erdélyi Múzeum-Egyesület vándorgyűlésének emlékkönyve. Kolozsvár, 1906.; Bod Péter levelei. Erdélyi Múzeum, 1907.; Kolozsvár ostroma és fölmentése a kuruc ostromzár alól 1707-ben. A Kolozsvári Unitárius Kollégium értesítője, 1907-8.; Művészeti adatok az Erdélyi Múzeum-Egyesület irománytárában. Művészet, 1912.; Újabb adattár a vargyasi Daniel család történetéhez. Kolozsvár, 1913.; A kolozsvári Szent Mihály templom tornyai. In: A kolozsvári Szent Mihály egyház. Szerk. György Lajos. Kolozsvár, 1924.; Hermányi Dienes József emlékirata. Kolozsvár, 1925.; A legrégibb erdélyi magyar hímes oszlopok. Erdélyi Almanach, 1925.; Báró Bánffy Jánosné Wesselényi Jozefa emlékirata 1848?49-iki élményeiről. Kolozsvár, 1931.; Az Erdélyi Múzeum Egyesület története. Kolozsvár, 1942.; Kolozsvár közvetlen környékének történelmi és műemlékei. Kolozsvári Szemle, 1943.; Művészettörténeti tanulmányok. I. Szerk.: B. Nagy Margit. Bukarest, 1977.; Kelemen Lajos élete és munkássága. Szerk.: Szabó T. Attila. Bukarest, 1982.
Róla szóló irodalom: Szabó T. Attila: Kelemen Lajos tudományos munkásságának negyven éve (1897?1937). Erdélyi Múzeum 1938.; Emlékkönyv Kelemen Lajos születésének nyolcvanadik évfordulójára. Főszerk.: Szabó T. Attila. Kolozsvár, 1957. (Tudományos Munkásságnak bibliográfiájával.); Benkő Samu: Köszöntjük Kelemen Lajost. Korunk, 1957.; Benda Kálmán: Kelemen Lajos. Magyar Tudomány, 1963.; Jancsó Elemér: Kelemen Lajos életműve. Korunk, 1963.; Entz Géza: Kelemen Lajos. Művészettörténeti Értesítő. 1964.; Hegyi Miklós: Kelemen Lajos és történeti néprajzi munkássága. Ethnographia, 1964.; Csetri Elek: Kelemen Lajos. In: Romániai magyar irodalmi lexikon. Főszerk.: Dávid Gyula. Bukarest-Kolozsvár, 2002.; Kiss András: Kelemen Lajos élete és munkássága. Unitárius Élet, 2005.
