Seine erste musikalische Ausbildung erhielt Lothar Zagrosek als Mitglied der Regensburger Domspatzen. Er studierte Dirigieren bei Hans Swarowsky, Istvàn Kertész, Bruno Maderna und Herbert von Karajan. Nach Stationen als Generalmusikdirektor in Solingen und in Krefeld-Mönchengladbach wurde er Chefdirigent des Österreichischen Radiosinfonieorchesters in Wien. Diesem Engagement folgten drei Jahre als Directeur musicale der Grand Operá de Paris sowie als Chief Guest Conductor des BBC Symphony Orchestra in London, anschließend wirkte Lothar Zagrosek als Generalmusikdirektor der Oper Leipzig. Für viele Jahre war er als Erster Gastdirigent und Künstlerischer Berater der Jungen Deutschen Philharmonie verbunden. Von besonderem Erfolg geprägt war seine Zeit als Generalmusikdirektor der Württembergischen Staatsoper Stuttgart von 1997 bis 2006. Seine Arbeit an diesem Haus wurde in der Kritikerumfrage der Zeitschrift "Opernwelt" zweimal mit der Auszeichnung "Dirigent des Jahres" gewürdigt; die Staatsoper Stuttgart wurde während seiner Amtszeit fünfmal zum Opernhaus des Jahres gewählt. Von 2006 bis 2011 war er Chefdirigent des Konzerthausorchesters Berlin.

Als gefragter Operndirigent mit großer Erfahrung gastierte er an zahlreichen führenden Häusern, darunter die Staatsopern Wien und Hamburg, die Bayerische Staatsoper München, die Deutsche Oper Berlin, die Semperoper Dresden, das Théâtre de la Monnaie Brüssel, das Royal Opera House Covent Garden in London und beim Glyndebourne Festival. Gastdirigate in den letzten Jahren führten ihn ans Teatro La Fenice in Venedig, an die Deutsche Oper Berlin für eine Neuinszenierung von Lachenmanns Das Mädchen mit den Schwefelhölzern, für die er in der Folge zum dritten Mal als "Dirigent des Jahres" ausgezeichnet wurde, sowie an die Koreanische Nationaloper (Parsifal) und die Staatsoper Hamburg (Katja Kabanova). Zu wichtigen Neuproduktionen der letzten Jahre zählen Bergs Lulu an der niederländischen Nationaloper in Amsterdam am Pult des Royal Concertgebouw Orchestra, mit Strauss‘ Elektra am Teatro Comunale di Bologna und Braunfels‘ Szenen aus dem Leben der Heiligen Johanna an der Oper Köln verzeichnen. Für die Neuinszenierung einer absoluten Rarität, der Trilogie Der Diktator / Das geheime Königreich / Schwergewicht oder die Ehre der Nation von Ernst Krenek, kehrte er an die Oper Frankfurt zurück. Bei den Tiroler Festspielen in Erl konnte er mit Walter Braunfels' selten gespielter Oper Die Vögel einen fulminanten Erfolg verzeichnen.

Als Gastdirigent stand Lothar Zagrosek am Pult vieler bedeutender Orchester des In- und Auslandes, darunter die Berliner und Münchner Philharmoniker, das Gewandhausorchester Leipzig, die Bamberger Symphoniker, alle großen deutschen Rundfunk-Sinfonieorchester, das Royal Concertgebouw Orchestra, die Wiener Symphoniker, Orchestra dell'Accademia di Santa Cecilia, Orchestre National de France, London Philharmonic Orchestra, Orchestre Symphonique de Montreal, Atlanta Symphony Orchestra und NHK Symphony Orchestra Tokyo. Er war Gast bei den Wiener und Berliner Festwochen, den London Proms, den Münchner Opernfestspielen und den Salzburger Festspielen.

Lothar Zagroseks besonderes Engagement gilt der zeitgenössischen Musik. Seine Aufführungen von Luigi Nonos Al gran sole carico d’amore oder Lachenmanns Das Mädchen mit den Schwefelhölzern in Stuttgart, die auch auf CD veröffentlicht wurden, sorgten international für Furore. Regelmäßig ist er bei der Münchner "musica viva" und auf den Festivals für zeitgenössische Musik in Donaueschingen, Berlin, Brüssel und Paris vertreten. Seine Aufnahmen im Rahmen der Decca-Edition "Entartete Musik", darunter Werke von Ernst Krenek, Viktor Ullmann, Hanns Eisler (alle mit dem Gewandhausorchester Leipzig), Berthold Goldschmidt, Walter Braunfels und Hans Krasa besitzen Referenzcharakter. Der legendäre Stuttgarter Ring wurde bei EuroArts auf DVD und bei Naxos auf CD veröffentlicht. Beim Label Altus erschienen gemeinsam mit dem Konzerthausorchester CDs mit Werken von Beethoven, Schubert, Bruckner und Webern. Mehrere seiner Einspielungen haben bedeutende Preise wie den Grand Prix du Disque, Cannes Classical Award und den Deutschen Schallplattenpreis gewonnen oder wurden für den Grammy nominiert.

Lothar Zagrosek, dem Nachwuchsförderung und kulturelle Bildung sehr am Herzen liegen, ist Schirmherr der Offensive Kulturelle Bildung in Berlin und Vorsitzender des künstlerischen Beirats des Dirigentenforums des Deutschen Musikrats und war darüber hinaus Vorsitzender der Jury des Deutschen Dirigentenpreises. Der Träger des Hessischen Kulturpreises wurde für seine herausragenden musikalischen Leistungen vom Verband der deutschen Kritiker e. V. mit dem Kritikerpreis im Bereich Musik ausgezeichnet und ist Träger des Verdienstkreuzes 1. Klasse des Verdienstordens der Bundesrepublik Deutschland.