Hijo del hacendado y congresista ayacuchano, Elías Lumbreras Soto y Rosa María Salcedo. A temprana edad se trasladó a Lima, para cursar su educación primaria en el Colegio Sagrados Corazones Recoleta (1944-1949) y la secundaria en el Colegio Antonio Raimondi (1950-1954). Luego ingresó a la Facultad de Letras de la Universidad Mayor de San Marcos, donde se graduó de bachiller y doctor en Etnología y Arqueología (1959).
En 1958 inició su carrera docente en la Universidad Nacional de Educación Enrique Guzmán y Valle. En 1963 retornó a su ciudad natal como catedrático de la recién reabierta Universidad Nacional de San Cristóbal de Huamanga, donde fundó la primera Facultad de Ciencias Sociales en el país, cuyo decanato ejerció en 1965.
En 1966 pasó a ejercer la docencia en la Universidad de San Marcos, donde permaneció hasta 1988. Junto con Pablo Macera y Aníbal Quijano, impulsó la creación de su Facultad de Ciencias Sociales. Ejerció también la dirección del Museo de Arqueología y Etnología de dicha casa de estudios (1968-1972). También enseñó en la Universidad Nacional Agraria La Molina (1966-1967). Fue profesor emérito de las universidades de San Marcos y San Cristóbal de Huamanga.
Oponiéndose al esquema de periodificación cultural del Antiguo Perú de John Rowe en horizontes e intermedios, propuso la siguiente periodificación:
Desarrollo regional
Estados regionales
Fue director del Museo de Antropología y Arqueología (1973-1978) y presidente del Museo de la Nación (1990). En 1982 fundó el Instituto Andino de Estudios Arqueológicos (Indea), una institución académica cuyo propósito es reunir a los arqueólogos del área andina y que publica la Gaceta Arqueológica Andina.
Fue designado consultor de arqueología en la UNESCO para diversos proyectos. En 1994 fue asignado como consultor del Banco Interamericano de Desarrollo (BID).
En 1994 viajó a Alemania como becario de la fundación Alexander von Humboldt, realizando investigaciones para el Instituto Arqueológico Alemán. En 1995 pasó a Brasil, donde participó en un proyecto de creación de una universidad en Río de Janeiro. Luego de una prolongada ausencia de diez años retornó a su patria, donde retomó sus proyectos de investigación en el valle de Chincha. Volvió también a la Universidad de San Marcos, como catedrático de postgrado de la Facultad de Ciencias Sociales.
Realizó trabajos de investigación en los Andes centrales (Huari), septentrionales (Chavín) y meridionales (relacionados con el aprovechamiento económico de los pisos ecológicos).
En agosto de 2002, durante el Gobierno del Presidente Alejandro Toledo fue nombrado director del Instituto Nacional de Cultura (INC), cargo que cumplió hasta el final del Gobierno. Entre sus metas a corto plazo era prioridad que empiece a funcionar las Casas de la Cultura y a largo plazo, que se instaure el Ministerio de Cultura.
En 2005 fue elegido miembro del Comité de Patrimonio de la Humanidad, organismo de la UNESCO que se encarga de declarar, proteger y preservar el patrimonio natural y cultural de la humanidad. Lumbreras fue encargado, por un período de cuatro años, luego de una votación en la que se seleccionaron 11 de los 21 integrantes del Comité.
En 2015 formó parte de la secretaría técnica pro tempore del proyecto Qhapaq Ñan del Ministerio de Cultura.
Fallece el 9 de noviembre de 2023 a la edad de 87 años.
De los pueblos, las culturas y las artes del antiguo Perú (1969), traducido al inglés en 1974 por Betty Meggers, y que se convirtió en texto de lectura obligatoria en los cursos de arqueología andina en las universidades estadounidenses.
Los templos de Chavín (1970)
De los orígenes del Estado en el Perú (1972)
La Arqueología como ciencia social (1974), reeditado en La Habana y México.
The Peoples and Cultures of Ancient Peru (Washington, 1974; Tokio, 1976)
Las fundaciones de Huamanga (1975)
Arte precolombino (3 volúmenes, 1977-1979)
El arte y la vida Vicús (1979)
Los orígenes de la guerra y el ejército en el Perú (1980), en colaboración con Leonor Cisneros, en el tomo I de la Historia general del ejército del Perú.
El imperio Wari (1980), en el tomo II de Historia del Perú, Editorial Juan Mejía Baca.
Arqueología de la América andina (1981), una aproximación a una síntesis del desarrollo cultural prehispánico en Latinoamérica.
Las sociedades nucleares de Suramérica (Caracas, 1983), tomo IV de la Historia general de América.
Les Andes de la prehistoire aux Incas (París, 1985), en colaboración con Danièle Lavallée.
The Archaeology of Andean America (editada por la UNESCO, 1989)
Chavín de Huántar en el nacimiento de la civilización andina (1990)
Chavín de Huántar. Excavaciones en la Galería de las Ofrendas (1993).
Premio Nacional de Cultura (1970)
Premio Humboldt a la Investigación Científica (Bonn, 1993)
Premio Nacional a la Investigación Científica (1996)
Premio "Mejor Arqueólogo Latinoamericano y del Caribe" (Washington D. C., 2013)
Premio Honoris Causa (La Paz, 2014)