Assentou praça em 1836, sendo despachado alferes em 1837, promovido a tenente em 1845, a capitão em 1851, para o corpo do estado maior, a major em 1866, a tenente-coronel em 1874, a coronel em 1876, depois a general de brigada, reformando-se em general de divisão a 4 de Junho de 1884. Concluiu em 1844 com muita distinção na Escola do Exército os estudos requeridos para o corpo do estado-maior. Em 1853 serviu ás ordens do marechal duque de Saldanha, que muito o considerava, e de quem era muito amigo. Por muitos anos foi chefe da 3.ª secção da secretaria da direcção geral de engenharia. Entrando na política, saiu eleito deputado nas legislaturas de 1856, 1858, 1860 e 1861. 

No ano do 1864 teve a nomeação de subchefe da 3.ª repartição do ministério da guerra; chefe do estado-maior em 1866. Neste mesmo ano foi nomeada uma comissão, a fim de dar o seu parecer acerca do armamento com que deveria ser dotado o nosso exército, visto que a epoca das armas de carregar pela bocca, tinha acabado como o ultimo tiro de espingarda de agulha do soldado prussiano nos campos de Sadowa. Esta comissão manifestou a opinião de que se adoptasse a carabina do sistema Westley‑Richards de carregar pela culatra e do cano Whitworth, como tipo mais perfeito para os caçadores; em vista do que ordenou o ministro da guerra que se fizesse um contrato provisório para a compra de 8.000 carabinas deste sistema para caçadores e 2.000 clavinas para a cavalaria. D. Luís da Câmara Leme teve então o encargo de ir a Londres ratificar este contrato, e de remover quaisquer dúvidas que se oferecessem para a sua pronta realização. Em 1867 foi nomeado para ir estudar na exposição universal de Paris, que nesse ano se realizou, o que se oferecesse de importante e de novidade, relativamente às artes militares. 

Em 1870, quando se deu a revolta em 19 de Maio, promovida pelo marechal duque de Saldanha, Câmara Leme foi chamado ao ministério que o referido marechal organizou, encarregando-se da pasta da marinha, sendo então agraciado com a carta de conselho. Em 1878 foi eleito par do reino, tomando posse na respectiva câmara a 10 de Janeiro de 1879. Neste ano também exerceu o cargo de governador civil do distrito de Lisboa. Nos últimos anos estava já muito afastado da política, contudo a sua voz era ainda ouvida no parlamento com a atenção e respeito, devidos aos seus muitos e relevantes serviços, e aos seus elevados merecimentos. A oficialidade do exército português, que sempre lhe consagrou a maior veneração, lhe ofereceu há bastantes anos uma comenda cravejada de riquíssimos brilhantes. Para esta dedicada homenagem, todos os oficiais se inscreveram espontaneamente; a subscrição excedeu a 8.000$000 réis, e D. Luís da Câmara Leme fez aplicar metade desta quantia a esmolas para as viúvas pobres dos oficiais do exército, ficando o resto para custear a comenda. Na sua larga vida parlamentar, tratou sempre com especialidade das questões militares, questões com que por vezes também se salientou na imprensa em artigos dispersos por vários jornais e revistas militares. Câmara Leme foi um propagandista acérrimo da responsabilidade ministerial, e nos últimos tempos, já muito alquebrado pelos anos, mas ainda com admirável lucidez de espírito, renovava em todas as sessões legislativas o seu antigo projecto de lei nesse sentido, fazendo sempre largas considerações sobre este assunto, para provar a conveniência da sua aprovação, que nunca viu realizada. 

Era cavaleiro da ordem da Torre e Espada pelos seus serviços ao exército, especialmente pela sua obra Elementos de arte militar; cavaleiro da ordem de N. Sr.ª da Conceição, comendador da de S. Bento de Avis, em 1866; da de Cristo e de S. Tiago; de S. Maurício e de S. Lázaro, de Itália; grã-cruz da Isabel a Católica e da de Carlos III, de Espanha; grande oficial da Legião de Honra, de França; da de Leopoldo, da Bélgica. Era condecorado com as medalhas militares de ouro de bons serviços, e de prata de comportamento exemplar. Casou em primeiras núpcias com a notável actriz Emília das Neves, de quem ficou herdeiro de toda a sua fortuna, e em segundas núpcias com D. Ana de Albuquerque, escritora, e que também foi actriz no teatro de D. Maria. 

Escreveu: Elementos de arte militar, parte I, Lisboa, 1862; II parte, 1863; III e IV partes, 1864; é antecedida por um juízo crítico de Latino Coelho. Foi muito bem recebida esta obra tanto em Portugal como no Brasil, merecendo que o respectivo ministro da guerra dissesse o seguinte no seu relatório, apresentado ás cortes: «Tendo o distinto capitão do estado-maior de Portugal, D. Luís da Câmara Leme, oferecido alguns volumes dos seus Elementos de arte militar, e contendo essa excelente obra as noções indispensáveis mesmo aos oficiais que não têm os cursos das suas armas, mandou-se proceder à compra dos volumes necessários para a conveniente distribuição pelos oficiais do nosso exército.» Na Gazeta de Portugal, de 8 de Março de 1864, saiu anónimo um artigo encomiástico, e em 1865, no mesmo jornal, publicou Osório de Vasconcelos uma série de artigos de análise. Saiu Segunda edição, revista e consideravelmente augmentada, Lisboa, 1.° tomo, 1874; 2.° tomo, 1879. Escreveu mais: Relatorio apresentado a sua excellencia o ministro da guerra em desempenho de uma commissão concernente á acquisição das novas armas de fogo portateis, datado de 10 de Setembro de 1866, saiu no Diario de Lisboa, de 19 do referido mês, sendo reproduzido no dia seguinte na Gazeta de Portugal; Relatorio a s. ex.ª o ministro da guerra ácerca dos objectos militares mais notaveis apresentados na exposição universal de Paris em 1867, saiu no Diario do Governo, de 24 de Dezembro de 1867, continuando nos números seguintes; foi depois impresso em separado no referido ano; Considerações geraes ácerca da reorganisação militar de Portugal, Lisboa, 1868; Incompatibilidades políticas sob o aspecto historico, jurídico, polïtico e moral, Lisboa, 1893. Publicou em 1875, sem o seu nome, um volume de 600 páginas, intitulado: Emilia das Neves, documentos pára a sua biographia, por um dos seus admiradores.