Лайонз получил образование в Городской еврейской школе лондонского Ист-Энда. Он начал свою карьеру учеником оптика. У него были отличные способности к механике, и он изобретал небольшие устройства, которые мог быстро продать на многочисленных выставках, проводившихся по всей Великобритании в конце 19-го века. Одним из них был комбинированный микроскоп-бинокль-компас, который он продал за один шиллинг на Королевской юбилейной выставке в Ливерпуле в 1887 году.

Когда Исидор Глакстайн (1851–1920), Монтегю Глакстайн (1854–1922) и Барнетт Сэлмон (1829–1897) из компании Salmon & Glukstein, торговавшей табачными изделиями, решили заняться ресторанным бизнесом, они пригласили Лайонза присоединиться к ним. Пробный чайный павильон был открыт на юбилейной выставке в Ньюкасле в 1887 году. Он имел такой успех, что в том же году для развития бизнеса была создана частная компания.

Компания участвовала в Международной выставке науки, искусства и промышленности 1888 года в Глазго и во Всемирной выставке 1889 года в Париже, после чего взяла на себя обслуживание общественного питания в выставочном центре "Олимпия-Лондон", Хрустальном дворце и Белом городе в Лондоне. Открытая компания J. Lyons & Co. Ltd. была основана в 1894 году, и в том же году на Пикадилли была открыта первая чайная лавка Lyons.

Со временем компания превратилась в сеть ресторанов, пищевой промышленности и гостиничный конгломерат. Она доминировала в британской сфере общественного питания в первой половине двадцатого века. Лайонз был назначен пожизненным председателем дочерней компании.  Lyons' Corner Houses. Он был председателем отеля Strand Palace Hotel, где он с большим успехом ввёл политику отказа от чаевых.

В 1893 году Лайонз и Хэролд Хартли открыли в Олимпии "Венецию в Лондоне", где питание, развлечения и возможность приобретения сувениров сочетались с сценическим представлением, спроектированным и поставленным театральным импресарио Имре Киральфи. За первый год мероприятие посетили около пяти миллионов человек.

Лайонз был разносторонним человеком - опытным акварелистом, который выставлял свои картины в Королевском институте, и автором нескольких коротких романов (совместно с драматургом Сесилом Рэли). Он был членом Территориальной ассоциации и отвечал за добавление легкой атлетики в режим тренировок Территориальной армии. Его благотворительная деятельность была направлена на организацию "Маленькие сёстры бедняков" в лондонском районе Хаммерсмит и Благотворительный фонд Мюзик-холла.

Лайонз имел титул заместителя лейтенанта лондонского графства. Его фирма обслуживала королевские вечеринки в саду Букингемского дворца. В 1911 году он был посвящён в рыцари "за заслуги перед государством". Похоронен на кладбище Объединённой синагоги в Уиллесдене.

Компания J. Lyons & Co. продолжает суюествовать и в 21-м веке. Она.была пионером во внедрении компьютеров в бизнес. Между 1951 и 1963 годами компания производила и продавала компьютеры LEO (Lyons Electronic Office).

Имя Джозеф - английская форма библейского имени Иосиф. Имя Натаниэль - английская форма библейского имени Нафанаил - "дар Божий". Английская фамилия Лайонз имеет несколько источников.