1842年7月12日出生于山东烟台。出身贫寒，幼读私塾，后为生活所迫去顺天（今北京）大兴县谋生，清同治六年（1867）中举。
1883年4月，得主考官、协办大学士兼总理 各国事务衙门大臣李鸿藻赏识，从此涉足外交事务，后担任清政府兵部员外郎。
1894年，他任江苏常(州)镇(江)通海道道台。
1902年，吕海寰、盛宣怀在上海与各国议定《商约》，成为中国商业法律的开拓者。
1903年，吕海寰、伍廷芳奏请推广官报获准，于是各省纷纷创立官报。
1904年3月10日，在他的主导下，创立中国红十字会的前身---万国红十字会上海支会，随之，红十字会分会迅速遍布全国各地战乱中，红十字会在各地冒着战火硝烟，掩埋无数尸体，救助着灾难中的民众，当时叫做万国红十字会上海支会，总书记李提摩太。经吕海寰联络，中国红十字会加入了世界红十字会组织。吕海寰一直关心和操办中国红十字会的工作，起到了中国红十字会的领导和负责人的作用，成为中国红十字会的奠基人之一。
1909年，吕海寰、吴重熹会奏中国红十字会试办章程（六条），请旨立案。
1910年6月5日，万国红十字会上海支会改名大清红十字会。
1911年10月25日（清宣统三年）辛亥革命起，清廷派吕海寰为大清红十字会会长兼任慈善救济会会长，并派沈敦和、福开森（美国人）为总董，将大清红十字会定名为中国红十字会，会同办理（辛亥革命）战地救济事宜。
1912年9月30日（民国元年），在上海召开全国第一次会员大会，制定会章并组织常委会，选举常议员34人。公举中华民国大总统、副总统为中国红十字会名誉正、副总裁。吕海寰为正会长，沈敦和为副会长兼常议会会长，江绍墀为理事长。
1920年9月辞去中国红十字会会长职务，担任名誉会长。吕海寰后来担任名誉会长，1924年辞官到天津定居，1927年1月病逝，享年85岁。
