Son père Jean-Baptiste Denis travaille à l’Amirauté du Havre, sa mère Charlotte Thieullent est fille d'un capitaine de navire. Il étudie au collège du Havre, sa passion pour le dessin et les sciences naturelles semblent être plus ou moins autodidactes. Son grand-père travaille également pour l’Amirauté. De 1797 à 1799, il est sous-officier dans la garde nationale du Havre.
En 1801, il voyage en Australie de l'expédition Baudin (1754-1803) mais les membres de la partie artistique et naturaliste sont déjà recrutés et il n’obtient qu’une place d’aide artilleur. Très vite, les capacités d’artiste et de naturaliste de Lesueur, lui permettent de rejoindre l’expédition scientifique. Le capitaine Nicolas Baudin (1754-1803) apprécie tellement son travail qu’il le charge d’illustrer les journaux de bord. Avec François Péron (1775-1810), il endosse la fonction de naturaliste après la mort du zoologiste de l'expédition, René Maugé de Cely. Avec Péron, ils collectionnent plus de 100 000 spécimens zoologiques. Son nom est donné au Cap Lesueur et à l'île Lesueur. Il rapporte également de nombreuses observations sur la faune et la flore de l'île Maurice (île de France à l'époque).
De 1815 à 1837, il vit aux États-Unis. En 1845, il devient conservateur du Muséum d'histoire naturelle du Havre.
Il est inhumé à Sainte-Adresse.
Quelques dessins:
