呂元膺姿秀儀美，才華出眾。去京師拜見前宰相齊映，齊映十分驚奇：“我無緣認識婁、郝，看言談舉止，婁、郝也不過如此！”
建中初年，被選為賢良，任安邑尉，長春宮判官。平定李懷光作亂之後，德宗下詔，令河北節度史王棲曜留呂元膺輔佐。不久，任殿中侍御史、右司員外郎。後出任蘄州刺史。在蘄州時，一囚犯對他說：“明天就是年了，家有父母，不能團聚，深感悔恨。”說罷痛哭不止。呂元膺很同情，便把所有囚犯的刑具去掉，放他們回去過年，並指定回來日期。獄吏認為不可，元膺說： “我相信他們，他們怎能失信於我？ ”結果眾囚犯如期返回。不法之徒深感愧疚，從此不在蘄州作案。
元和八年前後，呂元膺升為給事中，不久，又改任同州刺史。憲宗與他談起政事，他對答如流，詳細而具體。憲宗對宰相說：“元膺直人快語，應留在左右，為何放他到外地去？ ”於是留呂元膺為給事中，兼任皇太子侍讀，又升御史中丞、鄂嶽觀察使。有一次，夜半登城，守城人不許，隨從說：“這是中丞大人。”守城人說：“夜難辨。”呂元膺未登城而返。次日，他就提拔這位守城人為將軍。呂元膺後任尚書左丞。度支使潘孟陽與太府卿王遂不和，憲宗下詔調孟陽為散騎常侍，王遂為登州刺史。呂元膺認為不妥，要求憲宗明曲直獎罰。江西裴堪巡察虔州刺史李將順受賄案，未經訊問貶謫。呂元膺說：“觀察使對案子不經過反覆審問就作處理，即使該死罪，也不符法，請派御史訊問。”
後任東都留守，東都西南與鄧虢相通，路途多山，川穀曠深，麋鹿很多。山中有人以射獵為生，不務農桑，他們居無定所，驕悍好鬥，當地人都稱他們為“山棚”。山棚與李師道兵共謀，劫掠地方，當時，守城兵少而弱，呂元膺坐城門指揮，意氣閒舒，進退有方，兵民奮力，終獲全勝。後又任吏部侍郎，因病改太子賓客。死後追贈吏部尚書。
呂元膺姿秀儀美，才華出眾。去京師拜見前宰相齊映，齊映十分驚奇：“我無緣認識婁、郝，看言談舉止，婁、郝也不過如此！”
建中初年，被選為賢良，任安邑尉，長春宮判官。平定李懷光作亂之後，德宗下詔，令河北節度史王棲曜留呂元膺輔佐。不久，任殿中侍御史、右司員外郎。後出任蘄州刺史。在蘄州時，一囚犯對他說：“明天就是年了，家有父母，不能團聚，深感悔恨。”說罷痛哭不止。呂元膺很同情，便把所有囚犯的刑具去掉，放他們回去過年，並指定回來日期。獄吏認為不可，元膺說： “我相信他們，他們怎能失信於我？ ”結果眾囚犯如期返回。不法之徒深感愧疚，從此不在蘄州作案。
元和八年前後，呂元膺升為給事中，不久，又改任同州刺史。憲宗與他談起政事，他對答如流，詳細而具體。憲宗對宰相說：“元膺直人快語，應留在左右，為何放他到外地去？ ”於是留呂元膺為給事中，兼任皇太子侍讀，又升御史中丞、鄂嶽觀察使。有一次，夜半登城，守城人不許，隨從說：“這是中丞大人。”守城人說：“夜難辨。”呂元膺未登城而返。次日，他就提拔這位守城人為將軍。呂元膺後任尚書左丞。度支使潘孟陽與太府卿王遂不和，憲宗下詔調孟陽為散騎常侍，王遂為登州刺史。呂元膺認為不妥，要求憲宗明曲直獎罰。江西裴堪巡察虔州刺史李將順受賄案，未經訊問貶謫。呂元膺說：“觀察使對案子不經過反覆審問就作處理，即使該死罪，也不符法，請派御史訊問。”
後任東都留守，東都西南與鄧虢相通，路途多山，川穀曠深，麋鹿很多。山中有人以射獵為生，不務農桑，他們居無定所，驕悍好鬥，當地人都稱他們為“山棚”。山棚與李師道兵共謀，劫掠地方，當時，守城兵少而弱，呂元膺坐城門指揮，意氣閒舒，進退有方，兵民奮力，終獲全勝。後又任吏部侍郎，因病改太子賓客。死後追贈吏部尚書。