Il passe son enfance en Argentine où son père, artisan horloger-bijoutier, s'installe dans les années 1880 après une défaite électorale. Il y fait ses débuts en compétition et se fait appeler « Petit-Breton » pour cacher à sa famille ses participations aux épreuves cyclistes, une passion que son père désapprouve.
De retour en France, Lucien Petit-Breton obtient très vite des résultats probants et se constitue un palmarès très riche. Vainqueur du Tour de France en 1907 et 1908, il est le premier coureur à remporter deux fois l'épreuve.
Il y compte par ailleurs sept victoires d'étapes. Rouleur d'exception, il gagne le Bol d'or en 1904, une épreuve sur piste de 24 heures. Lucien Petit-Breton compte également des succès sur des classiques prestigieuses : Paris-Tours, Paris-Bruxelles, ainsi que la première édition de Milan-San Remo en 1907.