Formé au cours Simon, Philippe Lemaire débute au cinéma en 1946 et devient un jeune premier de l’après-guerre et des années 50. Amoureux de Dany Robin dans Les amoureux sont seuls au monde (1948) de Henri Decoin, pilote dans Les yeux du souvenir (1948) de Jean Delannoy, comédien jouant Roméo dans Les amants de Vérone (1948) d’André Cayatte, ou lycéen dans Ils ont vingt ans (1950) de Jean Delacroix, il est aussi sollicité pour des films italiens, dont Le Christ interdit (1951) de Curzio Malaparte.
Il accède un temps au vedettariat, partenaire de Françoise Arnoul et Raymond Pellegrin dans La rage au corps (1954) de Ralph Habib, d’Anouk Aimée et Jean-Claude Pascal dans Les mauvaises rencontres (1955) d’Alexandre Astruc, ou de Jeanne Moreau dans L’étrange Monsieur Steve (1957) de Raymond Bailly. Mais la plupart des films dans lesquels il joue s’avèrent périssables, et il n’y a pas grand-chose à sauver de bandes signées Marcel Blistène, Raoul André ou Georges Lacombe.
Les années 60 relèguent Philippe Lemaire aux seuls seconds rôles, mais il campe avec brio le cynique lieutenant général de Ferrussac dans Cartouche (1962) de Philippe de Broca. La suite de sa carrière le voit au générique de productions diverses, d’Angélique, marquise des anges (1964) de Bernard Borderie à Arsène Lupin (2004) de Jean-Paul Salomé, en passant par Le miroir obscène (1973) de Jesús Franco et L’année des méduses (1984) de Christopher Frank.