元和中，累擢给事中。俄为同州刺史。既谢，帝逮问政事，所对详诣。明日，谓宰相曰：“元膺直气谠言，宜留左右，奈何出之？”李籓、裴垍谢，因言：“陛下及此，乃宗社无疆之休。臣等昧死请留元膺给事左右。”未几，兼皇太子侍读，进御史中丞。拜鄂岳观察使。尝夜登城，守者不许。左右曰：“中丞也。”对曰：“夜不可辨。”乃还。明日，擢守者为大将。入拜尚书左丞。度支使潘孟阳、太府卿王遂交相恶，乃除孟阳散骑常侍，遂邓州刺史，诏辞无所轻重。元膺上其诏，请明枉直，以显褒惩。

江西裴堪按虔州刺史李将顺受赇，不覆讯而贬。元膺曰：“观察使奏部刺史，不加覆，虽当诛，犹不可为天下法。”请遣御史按问，宰相不能夺。

选拜东都留守。故事，留守赐旗甲，至元膺不给。或上言：“用兵讨淮西，东都近贼，损其仪，沮威望，请比华、汝、寿三州。”帝不听，并三州罢之。留守不赐旗甲，自此始。都有李师道留邸，邸兵与山棚谋窃发，事觉，元膺禽破之。始，盗发，都人震恐，守兵弱不足恃，元膺坐城门指纵部分，意气闲舒，人赖以安。东畿西南通邓、虢，川谷旷深，多麋鹿，人业射猎而不事农，迁徙无常，皆趫悍善斗，号曰“山棚”。权德舆居守，将羁縻之，未克。至是，元膺募为山河子弟，使卫宫城，诏可。

改河中节度使。时方镇多姑息，独元膺秉正自将，监军及中人往来者，无不严惮。入拜吏部侍郎。正色立朝，有台宰望，处事裁宜，人服其有礼。以疾改太子宾客。居官始终无訾缺。卒，年七十二，赠吏部尚书。

吕元膺，字景夫，郓州东平县人。形貌瑰伟，姿容秀丽，有才能有见识。历任右司员外郎。外调为蕲州刺史，曾审问囚犯，囚犯中有人告诉他说：“父母在堂，明天是大年初一却不能探望，以此为遗憾。”说完伤心落泪，元膺也很伤心，全部打开了刑具放他们回家，并且告诉了他们归还的日期。下属陈述说“不行”，元膺回答说：“我用诚信待人，他们怎么会欺骗我呢?”囚犯们果然如期返回。从此强盗们受到感动，深感愧疚，都离开了蕲州。

元和年间，经多次升迁做了给事中。不久又外放为同州刺史。辞行的时候，皇帝趁机询问政事，他的回答详细明畅。第二天，皇帝对宰相说：“元膺一身正气，敢说真话，应该留在我身边，为什么外放他呢?”李藩、裴珀谢罪说：“陛下过问(问及)此事，这是宗庙社稷万世流传的喜庆征兆。臣等冒死请求留下元膺在身边侍奉皇帝。”不久，兼任皇太子侍读，进封御史中丞。被授予鄂岳观察使。曾经夜间登城巡视，守城人不许他登城。他身边的人说：“这是中丞大人。”守城人答道：“夜间辨认不清。”元膺就回去了。第二天，提拔守城人做了大将。调到京城做尚书左丞。度支使潘孟阳、太府卿王遂关系不和，朝廷就调孟阳任散骑常侍，王遂任邓州刺史，诏书中并没有指出谁是谁非。元膺呈上那道诏书，请求指明是非曲直，来显示朝廷惩恶扬善。

江西观察使裴堪审查虔州刺史李将顺受贿一案，没经审讯就将李将顺降职。元膺说：“观察使弹劾部刺史，不加审讯，即使他的罪行当诛，也不能成为天下执法的典范。”请求朝廷派御史审查，宰相也不能强行改变他的意见。

吕元膺被选拜东都留守。按照惯例，留守将被赐给旗甲仪仗，轮到元膺做了东都留守，却免了这一规矩。有人上书说：“朝廷正用兵讨伐淮西，东都邻近惟西，减少他的仪仗就会有损他的威望，请求和华州、汝州、寿州的仪仗一样。”皇帝不许，连同三州的仪仗也一同免除了。留守不赐给旗甲仪仗，从这时开始。东都有李师道留下的官邸，邸兵和山棚人密谋叛乱，事情败露，元膺擒获了他们。当初，叛乱发生时，东都人人恐慌，守兵势弱不足仰仗，元膺坐在城门指挥分派，神态安闲自若，人们赖以安定下来。东畿西南通邓州、虢州，川深谷旷，多麋鹿，人们以射猎为业却不从事生产，迁徙不定，都矫健勇悍善于格斗，号称“山棚”。权德舆任东都留守时，想笼络他们，没能实现，至此元膺招募他们为山河子弟，让他们保卫宫城，皇上下诏许可。 改任河中节度使。当时方镇多无原则地纵容，只有元膺坚持正道严格自律，监军和来往办事的宦官，无不敬畏。进京做吏部侍郎。(他)在朝廷上神态庄重，立身端正，有宰相的声望，处理事务非常合宜，人们佩服他做事得体。因病改任太子宾客。为官始终没有过失。死时七十二岁，追赠吏部尚书。

吕元膺任东都留守时，曾经与一位隐士下棋。棋局的旁边，有一些文件堆积起来，吕元膺就停棋拿笔批阅。棋友以为吕元膺一定顾不上棋局，就偷偷换了个棋子来取胜。吕元膺已经把一切看在眼里，但是棋友不知道。第二天，吕元膺请他到别处去。所有的人都不明白怎么回事。棋友感到很内疚，吕元膺就赠送给他一份很厚重的礼物用以安抚他。就这样过了约十年，吕元膺卧病在床将要死去，儿子侄子们都站在床前。吕元膺说：“结交朋友，一定要仔细地选择。当初我为东都留守，有一个和我下棋的人，乘我去办别的事时，偷偷换了一着棋。其实也不值得介意，但反映出此人的心迹可怕。几次想说这件事，又怕那个人因此而忧愁悲戚；始终不说，又怕你们败在这类的事上，就告诉了你们。”说完，吕元膺便惆然长逝。