Lemieux a commencé la boxe à l'âge de 9 ans. Il a remporté le championnat amateur du Canada 3 fois.
Lemieux a perdu ses quatre premiers combats amateurs, mais a ensuite remporté 16 combats consécutifs, dont quatre titres nationaux juniors. Lemieux est actuellement formé par Marc Ramsay. Auparavant, il a été formé par Russ Anber et a été présenté avec Anber dans la série de tutoriels DVD Title Boxing comme un adolescent. Il a également présenté avec Anber dans la série de conseils Rival Box. Lemieux n'a jamais été intéressé à faire une offre pour se joindre à l'équipe canadienne de boxe olympique qui a été terriblement sous-financée à l'approche des Jeux olympiques de Beijing. Au lieu de cela, lui et Russ Anber considéraient le programme olympique comme une impasse qui le ferait affronter des boxeurs avec beaucoup plus d'expérience tout en limitant ses perspectives d'entraînement d'une manière préjudiciable à un combattant avec des aspirations professionnelles. Il a terminé sa carrière amateur avec 91 victoires et 12 défaites.
Il souhaitait passer professionnel à l'âge de 17 ans, mais il a dû attendre sa majorité comme l'exigeait la fédération canadienne.
Il a fait ses débuts professionnels le 14 avril 2007 et a remporté ses 20 premiers combats professionnels par KO, jusqu'à sa victoire aux points en 10 rounds contre Jason Naugler pour le titre de champion du Canada des super-moyens, le 6 février 2010. Il a victorieusement défendu le titre le 3 avril suivant, en battant par KO le tunisien Walid Smichet au 2e round.
Le 11 juin 2010, il s'empare du titre international WBC des poids moyens, en battant par KO au premier round l'américain Elvin Ayala, ce dernier ayant pourtant tenu 12 rounds contre le champion IBFArthur Abraham en 2008. À la suite de ce combat, la WBA l'a classé 5e boxeur mondial. Après une pause due à une inflammation des mains, il défend son titre face à l'expérimenté Hector Camacho Jr le 29 octobre, par KO au 1er round[1].
Le 3 novembre, la WBC ordonne un combat éliminatoire entre lui et Marco Antonio Rubio chez les poids moyens. Le gagnant aura ensuite la chance de se battre pour le titre mondial de la catégorie. Entre-temps, Lemieux bat le 3 décembre 2010 l'Américain Purnell Gates par arrêt de l'arbitre au 2e round, ce qui le fait grimper no 2 mondial dans les classements de la WBC.
Coup d'arrêt
Sa carrière connaît toutefois un coup d'arrêt le 8 avril 2011, lorsqu'il connaît sa première défaite face au Mexicain Marco Antonio Rubio. En avance au pointage des juges, il est mis au tapis au 7e round. Bien que s'étant relevé, son entraîneur Russ Anber prend la décision de l'arrêter. Peu après le combat, Lemieux et Anber décident d'un commun accord de mettre fin à leur collaboration. Anber cite un manque de sérieux à l'entraînement de son protégé. David Lemieux prend alors Marc Ramsay comme entraîneur[2].
Le 10 décembre 2011, il affronte l'ancien champion du monde WBA des super-welters Joachim Alcine et s'incline aux points par décision majoritaire. En revenant dans son vestiaire, frustré de la défaite, Lemieux frappe un mur du Centre Bell et se fracture la main[3].
Retour au sommet
Le 8 juin 2012, il réussit son retour sur le ring en battant le Mexicain Jaudiel Zepeda par KO à la 2e reprise[4]. Il bat deux autres adversaires par KO la même année. Le 24 mai 2014, il devient champion d'Amérique du Nord NABF des poids moyens après sa victoire par KO au 3e round contre Fernando Guerrero.
Le 6 décembre 2014, il affronte l'américain Gabriel Rosado en finale d'un gala présenté sur HBO au Barclays Center de Brooklyn. Lemieux remporte par arrêt de l'arbitre (TKO) au 10e round et conserve son titre NABF des poids moyens[5]. Cette victoire lui permet de combattre pour le titre mondial IBF de la catégorie face à Hassan N'Dam N'Jikam le 20 juin 2015 au Centre Bell de Montréal. Lemieux impose sa puissance et envoie plusieurs fois son adversaire à terre. Le combat va toutefois jusqu'à son terme et le Canadien est déclaré vainqueur à l'unanimité des juges[6].
Combat de réunification des titres mondiaux
Le 17 octobre 2015, lors d'un combat d'unification WBA-IBF, il perd la couronne mondiale IBF face au kazakh Gennady Golovkin par arrêt de l'arbitre au 8e round au Madison Square Garden de New York. Lemieux renoue avec le succès le 7 mai 2016 en battant au 4e round Glen Tapia puis enchaîne trois autres victoires contre Cristian Fabian Rios, Curtis Stevens et Marcos Reyes. Il obtient une nouvelle chance mondiale le 16 décembre 2017 en affrontant le britannique Billy Joe Saunders, champion WBO des poids moyens, mais s'incline nettement aux points[7].