Le Cinématographe est né rue du Premier-Film, au centre du quartier Monplaisir de Lyon, où subsistent aujourd'hui seulement le hangar des usines et la Villa Lumière. Le Musée Lumière rend hommage à Louis et Auguste et y présente leurs plus belles trouvailles dans le décor élégant de la demeure familiale, entre plafonds ouvragés, escalier monumental et verrière du jardin d’hiver.
Le parcours de l’exposition se développe au gré des trois étages et vingt-et-une pièces ouvertes au public.

Le musée donne, bien sûr, la part belle au Cinématographe, plus célèbre invention des frères Lumière. Il la replace dans la longue histoire des images animées, depuis les lanternes magiques jusqu'au prototype mis au point par Louis pour ses premiers essais de films sur papier en 1894. Grâce à sa collection d'appareils, l’exposition présente d’incontournables chefs-d’œuvre techniques tels le kinétoscope d’Edison, le chronophotographe Demenÿ ou le Cinématographe Lumière "n°1" qui projeta les dix premiers films le 28 décembre 1895, au Grand Café à Paris.
Les films projetés sur les écrans du musée racontent également la curiosité des "opérateurs Lumière" qui ont filmé d’autres pays, leur sens du cadrage et de l’esthétique.

Les frères Lumière mirent au point des appareils aussi étranges que le Photorama (pour une image à 360 degrés) ou le projecteur en relief (pour des films en 3D). Avec le succès des "plaques sèches", ils furent des industriels prospères comme en témoignent la maquette des usines ou la collection de publicités.
Les frères Lumière inventèrent aussi les plaques Autochromes, ancêtres de la diapositive, qui offraient au plus grand nombre la réalité en couleur. L’exposition montre ce qu’il fallut d’ingéniosité à Louis pour créer cette plaque, mais elle permet aussi d’admirer l’usage que les Lumière en firent en tant que photographes, avec les images que l’on regarde en transparence et qui rappellent les tableaux impressionnistes. Les photographies en relief, que réalisèrent les épouses et les membres du "clan" Lumière, grâce au Vérascope de Jules Richard, apportent également un magnifique témoignage sur la vie quotidienne d’une famille bourgeoise au tournant des XIXe et XXe siècles.

Au-delà de l’image, les deux frères ont également touché à des domaines aussi variés que le son, la mécanique ou la recherche médicale. L’exposition permet ainsi de découvrir l’étonnante "main-pince" articulée que Louis mit au point pour soulager les amputés de la Première guerre mondiale, et le célèbre "Tulle gras" qu’Auguste élabora durant ce conflit pour favoriser la cicatrisation des brûlures et plaies.