Il ouvre sa saison 2010 par un record personnel sur 60 m en 6 s 62 et sur 200 m en 21 s 13 lors des championnats régionaux en salle disputés à Clermont-Ferrand. Il gagne par la suite le meeting de Val-de-Reuil en 6 s 63 et devient champion de France Espoir le 13 février à Aubière. Il bat à cette occasion le record de France espoirs de Bruno Marie-Rose qui datait de 1987 (6 s 56) en s'imposant en 6 s 55. Le lendemain, il retranche 30 centièmes à son record personnel sur 200 m en salle pour le porter à 20 s 83. Le 28 février, il remporte le titre de champion de France Élite, avec encore un temps canon (6 s 56) devant le recordman de France de la spécialité en 6 s 61, Ronald Pognon. Il termine la saison hivernale invaincu en s'imposant lors du 60 m de la réunion en salle de Liévin, le 5 mars, en 6 s 58, devant Harry Aikines-Aryeetey. Bien qu'ayant réalisé les minimas pour les Championnats du monde en salle de Doha, il décide de faire l'impasse sur cette compétition afin de se préparer pour les prochaines échéances estivales, notamment les Championnats d'Europe du mois de juillet.
Le 1er mai, pour sa rentrée en plein air, le Savoyard court dans le remarquable temps de 10 s 09 aux interclubs à Aix-les-Bains, il enchaine la semaine suivante par un 10 s 24 dans des conditions climatiques difficiles (vent de face de 2,2 m/s, humidité) à Vénissieux puis bat son record personnel le 23 mai à Franconville lors de la finale des interclubs. Il établit à cette occasion un nouveau record de France espoir en 10 s 03. Le 5 juin 2010 à Marseille il bat son record personnel sur 200 m (de 12/100 de sec) en 20 s 56 malgré un vent de face de 1,8 m/s. Le 10 juin à Rome, il court en 10 sec 09 et termine 2e du meeting de la Diamond League derrière Asafa Powell qui gagne en 9 sec 82. Le 19 juin, lors des Championnats d'Europe par équipes, à Bergen, Lemaitre améliore son record personnel d'un centième (10 s 02), malgré un mauvais départ, et termine 2e derrière Dwain Chambers qui établit à cette occasion la meilleure performance européenne de la saison en 9 s 99.
Le 9 juillet 2010, Christophe Lemaitre établit un nouveau record de France du 100 mètres en atteignant la marque de 9 s 98 (+1,3 m/s) lors des Championnats de France « élite » de Valence. Il améliore de quatre centièmes de secondes son record personnel et d'un centième de seconde la meilleure marque française détenue par Ronald Pognon depuis le 5 juillet 2005. Deuxième sprinteur français et 72e athlète à descendre sous les 10 secondes, Lemaitre devient également le premier sprinteur blanc de l'histoire à franchir ce temps symbolique depuis l'apparition du chronométrage électrique en 1968. Le lendemain, le Français remporte son premier titre national du 200 m avec le temps de 20 s 16 (+1,2 m/s), égalant le record de France de Gilles Quenéhervé établi le 3 septembre 1987.
Le 28 juillet 2010, à Barcelone, Christophe Lemaitre remporte le titre du 100 mètres des Championnats d'Europe dans le temps de 10 s 11, devancant de sept centièmes de seconde quatre sprinteurs dont le Britannique Mark Lewis-Francis et le Français Martial Mbandjock. Depuis Valeriy Borzov en 1969, c'est le plus jeune champion d'Europe de la spécialité et le premier Blanc depuis Frank Emmelmann en 1982. Il devient le troisième athlète masculin français titré sur la distance après Étienne Bally en 1950 et Claude Piquemal en 1962 et gagne la première médaille tricolore sur la distance depuis Daniel Sangouma, deuxième en 1990. Le 30 juillet 2010, il réalise un « doublé retentissant » en s'imposant sur le 200 m en 20 s 37 pour un centième (au cassé) devant le Britannique Christian Malcolm. Depuis 1945, c'est le 5e doublé 100-200 m aux championnats d'Europe depuis ceux de Heinz Fütterer (1954), Valeriy Borzov (1971), Pietro Mennea (1978) et Francis Obikwelu (2006). Le 1er août, il remporte la médaille d'or du relais 4 × 100 mètres (2e relais) en 38 s 11 avec Jimmy Vicaut, Pierre-Alexis Pessonneaux et Martial Mbandjock qui réalisent le meilleur temps européen de la saison. Ces trois victoires sur les trois épreuves masculines du sprint court constituent un triplé inédit dans l'histoire des Championnats d'Europe d'athlétisme.
