他早年畢業於奉天省立第一中學、江蘇省立法政専科學校。畢業後，他回到奉天省開辦律師事務所。此後，他歷任奉天律師公會會長、奉天省議會副議長、中東鐵路理事長。
1923年（民國12年），他奉奉系領袖張作霖的指示到莫斯科同蘇聯進行交涉。翌年9月，「中華民國東三省自治政府與蘇維埃社會主義聯邦政府之協定」（「奉俄協定」）簽訂。1927年（民國16年），他任中東鐵路督辦。此後，因同蘇聯在中東鐵路發生糾紛，張學良的東北軍敗退，呂喪失其職位。
1931年（民國20年）九一八事變後，呂榮寰受土肥原賢二勸誘，參加滿洲國建國工作。翌年，他就任哈爾濱市市政籌備所所長。
滿洲國成立後的1933年（大同2年）7月，他任哈爾濱特別市市長兼東省特別區公署長官[1]。翌年1月，東省特別區公署改組為北滿特別區公署，他任該公署行政長官。翌年11月，他兼任濱江省省長（12月正式就任）。
1935年（康德2年）5月，他升任民政部大臣兼國道會議副議長。翌月，他兼任帝室大典委員會委員。翌年，他兼任恩賞會議議定官。1937年（康德4年）5月，他任實業部大臣。7月，部門改組，他任産業部大臣。1940年（康德7年）5月，他改任民生部大臣。翌年1月，他任滿洲國駐南京國民政府（汪兆銘政權）的駐華全権大使，到南京赴任。1944年（康德11年），他回到新京成為待命大使。翌年他辭職。
1945年（民國34年）8月滿洲國滅亡後，呂榮寰準備組織新京辦理善後事宜的治安維持會。不久他被蘇聯紅軍逮捕，押往蘇聯。
1946年（民國35年）他在西伯利亞病逝。享年57歲。
- ^ 劉壽林等編《民國職官年表》作此。王鴻賓等主編《東北人物大辭典》第2卷以及徐友春主編《民國人物大辭典》增訂版作東省特區市政管理局局長。
 滿洲國
- 前任：
- 張景恵
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- 東省特別區公署長官
- 1933年7月 - 1934年1月
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- 繼任：
- （改稱北滿特別區公署長官）
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- 前任：
- （改稱東省特別區公署長官）
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- 北満特別區公署長官
- 1934年1月 - 1935年5月
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- 繼任：
- 閻傳紱
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- 前任：
- （創設）
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- 濱江省長
- 1934年11月 - 1935年5月
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- 繼任：
- 閻傳紱
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- 前任：
- 臧式毅
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- 民政大臣
- 1935年3月 - 1937年5月
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- 繼任：
- 孫其昌
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- 前任：
- 丁鑑修
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- 實業大臣
- 1937年5月 - 7月
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- 繼任：
- （改稱産業大臣）
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- 前任：
- （改稱實業大臣）
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- 產業大臣
- 1937年7月 - 1940年5月
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- 繼任：
- 於靜遠
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- 前任：
- 孫其昌
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- 民生大臣
- 1940年5月 - 1941年1月
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- 繼任：
- 谷次亨
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