Lucien Mainssieux s'initia à la peinture avec Girot et Flandrin, ainsi qu'à la musique avec Nicolet qui lui enseigne le violon et l'alto. En 1905, il vient à Paris, entre dans l'atelier de Jean-Paul Laurens et retrouve Flandrin. En fréquentant l'Académie Julian, il fait la connaissance de Matisse, Marquet, Marval, Rouault, Guérin et Dunoyer de Segonzac. Partageant sa vie entre Paris, Voiron et Ambérieux, il commence à exposer dès 1907 au Salon des Indépendants, dès 1908 au Salon d'Automne, dont il est sociétaire en 1912, et dès 1923 au Salon des Tuileries. De 1921 à 1928, il est sociétaire du Salon des Artistes français coloniaux et sera membre du jury. En 1913, la Galerie Marseille organise sa première exposition particulière dont le catalogue est préfacé par Maurice Denis. Dès lors Lucien Mainssieux présentera son travail régulièrement (Galerie Bernheim en 1922, Galerie Blot en 1923-1924-1925, Galerie Druet en 1927 et 1935, etc.). Il voyagea en France mais aussi en Italie, à Rome entre 1910 et 1926, en Afrique du Nord (Tunisie de 19221 à1925, Maroc 1929 à 1933, Algérie de 1925 à 1954) mais aussi à Bâle de 1916 à 1956.
En 1918, il commence à pratiquer la gravure et participe à l'ouvrage Quelques bois originaux publié par Bernouard où l'on retrouve Corneau, Dufy, La Fresnaye, Lhote, Marchand, Valloton, etc. Il illustrera plusieurs ouvrages : en 1928 L'Ascension de Monsieur Baslèvre de Estaunie, Un été dans le Sahara de Fromentin, Amyntas de Gide, etc. Il travaille pour des journaux comme dessinateur ou journaliste, il fut critique musical pour Le Crapouillot de 1919 à 1939. Grand collectionneur, il offrira à sa ville natale un fonds important d'oeuvres françaises du XIXe et de la première moitié du XXe siècle.