Né vers 941 à Laon, Lothaire fut le fils de Louis IV d’Outremer et de Gerberge de Saxe. Le 12 novembre 954 en l’abbaye Saint-Remi de Reims, il succéda à son père, qui l’avait associé au trône dès 952, en se faisant sacrer roi des francs de la francie occidentale par l’archevêque Artaud. Pour la première fois depuis la fondation de la dynastie mérovingienne, le partage du royaume entre les fils du roi défunt ne prévalait plus. Lothaire écartera son jeune frère Charles de la succession. Désormais l’hérédité sera de mise.
Encore jeune pour gouverner, Lothaire régna sous la tutelle d’Hugues le Grand, duc des Francs et de son oncle l’archevêque Brunon de Cologne. Ses tuteurs souhaitaient une entente avec la francie orientale mais Lothaire ne comptait pas se faire imposer une politique, et malgré son jeune âge, il réussit à imposer son autorité à ses vassaux. Ses relations avec la francie orientale allaient s’aggraver. En 965 ou 966, Lothaire épousa Emma d’Italie, fille unique du roi d’Italie Lothaire II et d’Adélaïde de Bourgogne.
En 976, Charles, le frère de Lothaire, aidé par Hugues Capet et Otton de Vermandois, se dirigea vers la francie orientale pour voler au secours des comtes de Mons et de Louvain, évincés de l’héritage par Otton II, empereur du Saint-Empire et roi de francie orientale. Lothaire, sans aider son frère, le laissa faire. L’objectif de Charles était clair : s’imposer en Lotharingie. En 977, Charles accusa Emma d’infidélité avec l’évêque de Laon mais faute de preuve, Charles fut chassé du royaume par Lothaire.
En 978, Lothaire, assisté à nouveau d’Hugues Capet et d’Henri de Bourgogne, lança une expédition contre Otton II à la suite de quoi il s’empara d’Aix-la-Chapelle. En octobre 978, Otton, en guise de représailles, accompagné de Charles le frère rejeté, envahit le royaume franc et ravagea Reims, Soissons et Laon. Lothaire dut fuire et Charles soutien de l’empereur se fit proclamer roi des Francs à Laon. Poursuivant Lothaire, Otton II se retrouva face à l’armée d’Hugues Capet et, incapables de reprendre Paris, leva le siège et s’enfuit à Aix-la-Chapelle, débouté.
En 979, craignant les ambitions de son frère Charles, Lothaire entrepris d’associer son fils Louis à la couronne et de le faire sacrer. Il rencontra Otton II en juillet 980 afin d’initier un rapprochement. Lothaire renonça à la Lotharingie ce qui permit à l’empereur de jeter son dévolu sur l’Italie. Mis à l’écart des négociations, les Robertiens menés par Hugues Capet, ne voyaient pas cet accord d’un bon oeil et décidèrent d’aller négocier leur propre accord en direct à Rome avec Otton II. Furieux, Lothaire commanda de s’emparer immédiatement du Robertien.
En 983, à la mort d’Otton II, le trône de l’Empire et de la Francie orientale fut donné à son fils Otton III. Une querelle dans la succession débuta alors entre Otton III, sa mère l’impératrice et le duc de Bavière. Lothaire, grâce au concours d’Adalbéron de Reims l’archevêque de Reims, se réconcilia avec son frère Charles. Lothaire espérait retrouver la souveraineté sur la Lotharingie et Charles de la Haute-Lotharingie. Lothaire et ses alliés, en 985, assiégèrent Verdun et le roi de la francie occidentale contraignit l’archevêque de Reims d’entretenir une garnison à Verdun espérant ainsi empêcher les ottoniens de prendre la ville. Lothaire suspectait un double jeu de la part d’Adalbéron qui avait pris soin de prévenir Hugues Capet. Le duc Capet marchait alors sur Compiègne avec son armée. Ne pouvant se permettre un affrontement avec Hugues Capet, Lothaire libéra les prisonniers lorrains.
Lothaire mourut le 2 mars 986 alors qu’il prévoyait d’attaquer Cambrai, en terre d’empire. Il fut inhumé près de son père Louis IV, dans le choeur de saint rémi de Reims. Le fils de Lothaire et d’Emma, Louis V, ne régna qu’un an. Il mourut sans descendance.