Карл Лемох — третий ребёнок в семье московского преподавателя музыки немецкого происхождения Викентия Лемоха и Елизаветы Карловны Шильдбах. C 1851 по 1856 год учился в Московском училище живописи, ваяния и зодчества в мастерской профессора Е. Я. Васильева.
В 1858 году поступает в Императорскую Академию художеств в класс исторической живописи П. В. Басина и А. Т. Маркова. За этюды и рисунки награждён Советом Академии двумя малыми и двумя большими серебряными медалями «За успех в рисовании». В 1863 году удостоен Малой золотой медали Академии за картину «Моисей источает воду из скалы».
В числе других четырнадцати академистов, демонстративно отказавшихся от участия в конкурсе на Большую золотую медаль, в 1863 году подал прошение о выходе из Академии, получив диплом классного художника второй степени. Покинув Академию вступает в Санкт-Петербургскую артель художников, основанную И. Н. Крамским. В 1868 году за выставленную на академической выставке картину «Семейное горе» получает звание классного художника первой степени.
Жил преимущественно в Санкт-Петербурге, зарабатывая частными уроками рисования в аристократических семьях. Лето проводил в подмосковном селе Ховрино, где Лемох построил себе художественную мастерскую. Жители Ховрина изображены на многих картинах Лемоха, изображавших русскую крестьянскую жизнь.
Ещё будучи членом Артели, Карл Лемох, получивший при дворе православное имя Кирилл, принимает приглашение давать частные уроки рисования детям будущего императора Александра III, в том числе и Его Императорскому Высочеству Государю Наследнику Цесаревичу и Великому Князю Николаю Александровичу, старшему сыну Александра III, последнему императору России Николаю II. Однако наиболее талантливой ученицей Лемоха, стала младшая сестра Николая Великая княгиня Ольга Александровна, серьёзно увлекавшаяся живописью всю оставшуюся жизнь.
В 1870 году Лемох соглашается на предложение Г. Г. Мясоедова и становится учредителем Товарищества передвижных художественных выставок. Однако, буквально на следующий год Лемоха исключают из Товарищества за нарушение устава, а именно за непредставление произведения к открытию выставки. В 1878 году Лемох вновь вступает в члены Товарищества, с 1879 года — член правления, а с 1880 года становится бессменным казначеем Товарищества, отличавшимся безупречной честностью и щепетильностью в финансовых делах.
В 1875 году за семь выставленных на академической выставке картин Лемоху присваивается звание академика Императоской Академии художеств, с 1893 года действительный член Академии, избран членом Совета Академии в 1895 году сроком на пять лет.
За обучение царской семьи Лемоху была назначена пожизненная пенсия. C 1897 и почти до самой смерти (по 1909 год), Лемох занимает должность хранителя художественного отдела Музея имени Императора Александра III.
В память единственного внука, умершего в трехлетнем возрасте, (дочь Карла Лемоха Варвара рано овдовела, выйдя замуж за сына Д. И. Менделеева Владимира) пожертвовал значительную сумму на открытие в селе Ховрине Московского уезда церковно-приходской школы при Храме иконы Божией Матери «Знамение».
Кирилл Викентьевич Лемох умер 24 февраля 1910 года в Санкт-Петербурге. После отпевания в церкви Императорской Академии художеств был похоронен на кладбище Казанского Головинского общежитейского монастыря в Москве.
«Утро в швейцарской», (1874) — Государственная Третьяковская галерея
«Девочка с цветами», (1883) — Саратовский художественный музей имени А. Н. Радищева
«Новое знакомство», (1885) — Государственный Русский музей
«Дети за пианино», (1886) — Архангельский областной музей изобразительных искусств
«Лето (С поздравлениями)», (1890) — Государственный Русский музей
«Новый член семьи», (ранее 1890) — Астраханская картинная галерея имени П. М. Догадина
«Выздоравливающая», (1889) — Приморская краевая картинная галерея
«Двое крестьянских девочек», (1892) — частное собрание
«Варька», (1893) — Государственное музейное объединение «Художественная культура Русского Севера»
«На скамейке. Варька», (1893-1894) — Вологодская областная картинная галерея
«Крестьянский мальчик», (1897) — частное собрание
«Без кормильца», (1898) — Государственный Русский музей
«Девочка», (1901) — Чувашский государственный художественный музей
«Родительская радость», (ранее 1910) — Калужский Областной Художественный Музей
«Молодые картёжники», (ранее 1910) — Государственный Русский музей
«Бабушка и внучка», (ранее 1910) — Государственная Третьяковская галерея
«Дети», (ранее 1910)
«Девочка, кормящая кур», (ранее 1910) — частное собрание