Карл Лемох родился 19 июня (7 по старому стилю) 1841 года в Москве. Его отец – преподаватель музыки Викентий (Винценц) Осипович Лемох (1792–1884) и мать – Елизавета Карловна Шильдбах (1811–1880).
С 1851 по 1856 год Карл учился в Московском училище живописи и ваяния в мастерской профессора Е.Я. Васильева. В 1858 году он поступил в Императорскую Академию художеств (ИАХ) в класс исторической живописи П.В. Басина и А.Т. Маркова. За этюды и рисунки Кирилл награждён Советом Академии Малыми и Большими серебряными медалями «За успех в рисовании». В 1863 году он удостоен Малой золотой медали Академии за картину «Моисей источает воду из скалы». В числе четырнадцати академистов во главе с Иваном Крамским, Карл демонстративно отказавшихся от участия в конкурсе на Большую золотую медаль. Он вышел из Академии в 1863 году, получив диплом классного художника второй степени.
Выйдя из Академии Карл вступил в Санкт-Петербургскую артель художников. В 1868 году за выставленную на академической выставке картину «Семейное горе» он получает звание классного художника первой степени. Карл зарабатывал уроками рисования в аристократических семьях. Лето он проводил в подмосковном селе Ховрино, где построил себе художественную мастерскую. На многих его картинах, изображавших русскую крестьянскую жизнь, запечатлены жители Ховрина. 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 будущему императору Николаю II. Наиболее талантливой его ученицей стала Великая княжна Ольга Александровна. За обучение царской семьи Лемоху была назначена пожизненная пенсия. В 1870 году Лемох соглашается на предложение Г.Г. Мясоедова и становится учредителем Товарищества передвижных художественных выставок. На следующий год Лемоха исключают из Товарищества за нарушение устава (за непредставление произведения к открытию выставки). В 1878 году Лемох вновь вступает в члены Товарищества, с 1879 года он становится членом правления, а с 1880 года – бессменным казначеем Товарищества, отличавшимся безупречной честностью и щепетильностью в финансовых делах. В начале 1870-х годов Кирилл обратился к технике офорта, которую осваивал под руководством И.И. Шишкина. Лемох был первым среди русских художников, кто выполнял миниатюрные портреты с фигурами в рост. В 1875 году за представленные в Совет ИАХ картины «Хозяин», «Будущий работник», «Утро в швейцарской», «Девочка с котёнком», «Этюд старухи», «Женщина у люльки» он был удостоен звания академика, с 1893 года Кирилл становится действительный член Академии, в 1895 году его избирают членом Совета Академии сроком на пять лет. C 1897 года и до 1909 год Лемох занимает должность хранителя художественного отдела Русского музея 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 Лемох – один из наиболее заметных художников-жанристов в России второй половины XIX века. Его работы поражают тщательно выписанными деталями. Несмотря на небольшие размеры полотен, на его картинах можно рассмотреть каждую заплатку, соринку или соломинку на полу. Иногда его картины поражают чувством надвигающейся трагедии и безысходности. На полотне «У постели умирающей крестьянки» (1886) Кирилл изобразил фигурки девочек, которые в предчувствии скорой беды смотрят на больную мать, лежащую в темном углу кровати. Для произведений «Проводы» (1863), «Круглая сирота» (1878), «Без кормильца» (1898) характерны повествовательность, сентиментальность детских образов, сочувственное изображение тягот повседневной жизни, но вместе с тем отсутствие ярко выраженного критического начала, свойственного мастерам-передвижникам.
Картины Кирилла Лемоха находятся в Государственном Русском музее, Государственной Третьяковской галерее, Смоленском государственном музее-заповеднике, Дагестанском музее изобразительных искусств им. П.С. Гамзатовой, музее изобразительных искусств Нижнего Тагила и Республики Карелия, Астраханской картинной галерее им. П.М. Догадина, Архангельском областном музее изобразительных искусств, Калужском Областном Художественном Музее, Пензенской областной картинной галерее им. К.А. Савицкого, Приморской краевой картинной галерее, Саратовском художественном музее им. А.Н. Радищева, Государственном музейном объединение «Художественная культура Русского Севера, Национальном художественном музее Республики Беларусь, Национальном музее искусств Азербайджана в Баку, а также в частных собраниях.
Кирилл Лемох скончался 7 марта (22 февраля по старому стилю) 1910 года в Петербурге. Похоронен в московском Головинском монастыре, рядом с могилами супруги и внука. При уничтожении Головинского монастыря в 1970-х годах были уничтожены и захоронения Лемохов.
