Il commence l'athlétisme en 2005, à la suite de la Fête du sport de Belley. Il y est repéré par Jean-Pierre Nehr après avoir couru un 50 m de détection. Il s'inscrit donc au club d'Aix-les-Bains (l'Athlétique sport aixois). Moins d'un an plus tard et à peine 16 ans, il court déjà le 100 m en moins de 11 secondes (10 s 96).
En 2007, à Ostrava, en République tchèque, il termine respectivement quatrième du 100 m et cinquième du 200 m des Championnats du monde jeunesse.
En 2008, il devient champion du monde junior du 200 m à Bydgoszcz en Pologne, rejoignant ainsi des noms aussi prestigieux que Jean Galfione (perche en 1990) ou Muriel Hurtis (200 m en 1998). Quelques semaines plus tard, il améliore son record personnel sur 100 m (10 s 26) en terminant deuxième des Championnats de France, juste derrière Martial Mbandjock, premier en 10 s 06. Bien que n'ayant pas réussi les minimas demandés par la Fédération française d'athlétisme, sa performance lui permet néanmoins d'intégrer l'équipe du relais 4 × 100 m lors des Jeux olympiques de Pékin, avant de devoir déclarer forfait pour blessure.
En 2009, il participe à son premier meeting international, à Paris. Pour la 3e édition du meeting « Seat » à Bercy, le natif d'Annecy établit un nouveau record de France juniors du 60 m en 6 s 64 lors des séries, et termine 4e en finale (6 s 65) et ce, malgré un physique longiligne qui ne lui permet pas de déployer toute sa foulée sur de petites distances. Le 21 février 2008, il devient vice-champion de France du 60 m en salle à Liévin (6 s 71) derrière Emmanuel Ngom Priso, vainqueur en 6 s 63. Cette deuxième place lui octroie le droit de représenter la France aux championnats d'Europe en Salle de Turin qui se déroulent au mois de mars. Il passe brillamment le premier tour en se classant deuxième en 6 s 71 derrière le controversé Dwain Chambers, et termine finalement septième de sa demi-finale en 6 s 72. Le 10 juillet, lors des championnats de France Jeunes à Bondoufle, il améliore une première fois son record personnel sur 100 m en 10 s 17 terminant largement en tête devant Romain Burel deuxième en 10 s 55. Le 24 juillet, il récidive lors des Championnat d'Europe junior de Novi Sad et remporte la finale du 100 m en 10 s 04 (+ 0,2 m/s), améliorant ainsi le précédent record d'Europe junior détenu par Dwain Chambers. Le Culozien réalise à cette occasion la 3e meilleure performance française de tous les temps à 5 centièmes de seconde du record de France de Ronald Pognon (9 s 99) ainsi que la 4e meilleure performance mondiale junior de tous les temps, à 3 centièmes de seconde du record du monde junior de Darrel Brown (10 s 01). Le 15 août, lors des championnats du monde 2009 se déroulant à Berlin, il remporte sa série du 100 mètres au premier tour en 10 s 24, mais est disqualifié en quart de finale pour faux-départ. Le 28 septembre, Christophe Lemaitre est désigné « révélation de l'année » 2009 par l'Association européenne d'athlétisme (EAA) devant Ramil Guliyev, autre grand espoir européen.
