吕元膺，字景夫，郓州东平人。曾祖绍宗，右拾遗。祖霈，殿中侍御史。父长卿，右卫仓曹参军，以元膺赠秘书监。
元膺质度瑰伟，有公侯之器。建中初，策贤良对问第，授同州安邑尉。同州刺史侯鐈闻其名，辟为长春宫判官。属浦贼侵轶，鐈失所，元膺遂潜迹不务进取。
贞元初，论惟明节制渭北，延在宾席，自是名达于朝廷。惟明卒，王栖曜代领其镇。德宗俾栖曜留署使职，咨以军政。累转殿中侍御史，征入，真拜本官，转侍御史。丁继母忧，服阕，除右司员外郎。出为蕲州刺史，颇著恩信。尝岁终阅郡狱囚，囚有自告者曰：“某有父母在，明日元正不得相见。”因泣下。元膺悯焉，尽脱其械纵之，与为期。守吏曰：“贼不可纵。”元膺曰：“吾以忠信待之。”及期，无后到者。由是群盗感义，相引而去。
元和初，征拜右司郎中、兼侍御史，知杂事，迁谏议大夫、给事中。规谏驳议，大举其职。及镇州王承宗之叛，宪宗将以吐突丞璀为招讨处置使。元膺与给事中穆质、孟简，兵部侍郎许孟容等八人抗论不可，且曰：“承璀虽贵宠，然内臣也。若为帅总兵，恐不为诸将所伏。”指谕明切，宪宗纳之，为改使号，然犹专戎柄，无功而还。出为同州刺史，及中谢，上问时政得失，元膺论奏，辞气激切，上嘉之。翌日谓宰相曰：“元膺有谠言直气，宜留在左右，使言得失，卿等以为何如？”李藩、裴垍贺曰：“陛下纳谏，超冠百王，乃宗社无疆之休。臣等不能广求端士，又不能数进忠言，孤负圣心，合当罪戾。请留元膺给事左右。”
寻兼皇太子侍读，赐以金紫。