Édesapja magas rangú német hivatalnok volt, Lotz Németországban született. Apja halála után, négyévesen költözött vissza Magyarországra magyar édesanyjával és testvéreivel. Rajztehetsége már korán megnyilvánult, szobrásznak készült, majd festeni tanult. 1852-ben Bécsbe ment, ahol Karl Rahl tanítványa lett. Mesterével számos falképet festett főúri és nagypolgári palotákban, részt vett a bécsi görögkeleti templom, a Tedesco-palota és az Arsenal Fegyvermúzeum fal- és mennyezetképeinek megfestésében.
    
1853-tól állított ki itthon, de csak 1864-ben, Rahl halála után tért haza. Még abban az évben nagy sikert aratott a Vigadó lépcsőházának falfestményeivel, ezután szinte elhalmozták megrendelésekkel. 1873-ban a Vigadó étterme 28 medalionjának, 1874-ben - Than Mórral együtt - a Magyar Nemzeti Múzeum lépcsőházának festését készítette el. Jó kapcsolatot ápolt korának építészeivel, évtizedeken át dolgozott együtt Ybl Miklóssal, illetve Hauszmann Alajossal, akihez baráti szálak fűzték.
    
Igazi egyénisége az Egyetemi Könyvtár falfestményein (1875-76) kezdett el kibontakozni. Különböző mitologikus, bibliai és történeti freskókat festett a Ferencvárosi templomban, a Terézvárosi Kaszinóban, a Keleti pályaudvar csarnokában - utóbbi munkáit éppen nemrégiben újították fel, így ismét régi fényében ragyog a Lotz-terem.     Neoreneszánsz munkái csúcspontjának az operaház nézőterének mennyezetfreskóját tartják (1884), az Olimposzt ábrázoló, ragyogó színekkel megfestett kép az építészeti megoldás tökéletes kiegészítője. Hírnevét öregbítik a Párizsi áruház freskói (1885), az MTA nagytermének két triptichonja (1887-91), a Tihanyi apátsági templom (Székely Bertalannal és Deák Ébner Lajossal, 1889-90), a budai Mátyás-templom festményei (Székely Bertalannal 1892-93), a Kúria nagy csarnoka (1894), az Országház lépcsőháza (1896-97) valamint a Szent István Bazilika pillérmozaikjai, kupola- és boltívképei (1894-99).
    
Faliképei mellett számos arcképet, idealizáló kompozíciót és frivol aktot is festett. Arcképeinek és mitológiai tárgyú aktképeinek (Bacchánsnők, Psyché, Fürdés után) modelljei nevelt lányai - Ilona és rajongott Kornéliája - voltak. Bravúros tájképfestő is volt, fiatalkori olajképeit az Alföld romantikája ihlette. Ő készítette a legsikerültebb illusztrációkat az 1859 utáni kiadásokban a János vitézhez és más Petőfi-versekhez.
    
1882-től a Mintarajztanoda tanára, 1885-től a Női Festőiskola igazgató-tanára, 1887-től a II. Festészeti Mesteriskola tanára, majd vezetője volt. 1896-ban megkapta a királytól a Szent István-rend kiskeresztjét. 1903-ban már betegen készítette el utolsó nagy művét, a királyi várpalota Habsburg-termének nagy mennyezetképét. 1904. október 13-án hunyt el.