Estudià a les universitats de Copenhaguen i Cambridge i es doctorà en matemàtiques (1920) i en geodèsia (1928). Centrà les seves recerques en la sismologia, camp en el qual s’inicià el 1925 participant en l’establiment d’una xarxa d’estacions sismològiques a Dinamarca i a Grenlàndia. De 1929 a 1953 fou directora del departament de sismologia del Reial Institut de Geodèsia (que presidí en 1941-44). El 1936 feu la seva contribució més important amb la publicació d’un article en el qual a partir d’anàlisis sismogràfics proposà que l’estructura del nucli de la Terra consta de dues grans zones, el nucli extern, en estat fluid, i el nucli intern, en estat sòlid, separats per l’anomenada discontinuïtat de Lehmann. Posteriorment, centrà els seus estudis en el mantell superior. Fou cofundadora i primera presidenta de la Federació Sismològica Europea (1950) i membre del comitè executiu de l’Associació Sismològica Internacional entre 1936 i 1960.Feu freqüents estades arreu del món i, especialment als observatoris del California Institute of Technology i Lamont Doherty, de la Universitat de Columbia. Rebé nombrosos guardons, entre els quals les medalles William Bowie (1964) i Wiechert (1971), de la Unió Geofísica Americana i la Societat Geofísica alemanya, respectivament. El 1997 la primera d’aquestes organitzacions creà la medalla Lehmann de l’especialitat en el seu honor.