Начало военной карьеры
1 июля 1907 года поступил на военную службу фанен-юнкером (кандидат в офицеры), в артиллерийский полк. С ноября 1908 — лейтенант.
Первая мировая война
На штабных должностях. С декабря 1914 — старший лейтенант, с августа 1916 — капитан. За время войны награждён Железными крестами обеих степеней, Ганзейским орденом и Рыцарским крестом Дома Гогенцоллернов с мечами.
Между мировыми войнами
Продолжил службу в рейхсвере, затем в вермахте. С апреля 1934 — полковник, с апреля 1937 — генерал-майор. К началу Второй мировой войны — командир 29-й моторизованной дивизии, генерал-лейтенант.
Вторая мировая война
В сентябре-октябре 1939 года — участвовал в Польской кампании, награждён планками к Железным крестам обеих степеней (повторное награждение).
С 7 мая 1940 года — командир 5-й танковой дивизии, участвовал во Французской кампании.
С августа 1940 — в звании генерал артиллерии. С 25 ноября 1940 — командующий 47-м моторизованным корпусом. 4 июня 1941 — звание изменено на генерал танковых войск.
С 22 июня 1941 года — участвовал в германо-советской войне. Бои в Белоруссии. 27 июля 1941 — награждён Рыцарским крестом.
21 июня 1942 — корпус переименован в 47-й танковый. В июле 1942 — Лемельзен награждён Золотым немецким крестом.
В сентябре 1943 года — награждён Дубовыми листьями (№ 294) к Рыцарскому кресту (за бои на Курской дуге). С 24 октября 1943 — командующий 10-й армией (в Италии).
В начале 1944 года — в командном резерве. В мае 1944 — временно командовал 1-й армией. С июня 1944 — командующий 14-й армией (в Италии). С октября 1944 по февраль 1945 — вновь командующий 10-й армией.
С февраля 1945 года — вновь командующий 14-й армией. 6 мая 1945 года — взят в британский плен (отпущен на свободу в апреле 1948).
