Desde su acceso a la cátedra universitaria, Flores de Lemus se vinculó a la administración pública, en especial gracias a su estrecho contacto con García Alix, que le atrajo a la realización de labores técnicas de hacienda, dentro del ministerio.

Por Real Orden de 13 de febrero de 1905 el Ministerio de Instrucción Pública dispuso que fuese agregado al Ministerio de Hacienda en comisión de servicio, para trabajar en la Junta de Aranceles y Valoraciones de dicho Ministerio, auxiliando los trabajos preparatorios de la reforma arancelaria, puesto en el que estuvo trabajando hasta su cese el 17 de agosto de 1905. De nuevo el 3 de septiembre de 1906 fue agregado en comisión de servicio al Ministerio de Hacienda, encargándose del estudio de la estadística de consumos municipales de las capitales de provincia españolas, cuyo análisis se publicó en 1908.

En estos años, durante el gobierno de Raimundo Fernández Villaverde y en el ministerio dirigido por García Alix, Flores de Lemus pudo poner en práctica sus ideas de reforma fiscal destinadas a reducir el déficit endémico del Estado a través de una reforma tributaria gradual acompañada de un mayor intervencionismo social, en una reforma decisiva cuya acción duró varias décadas.

Ejerció como jefe de la Sección de Estadística de la Inspección General de Hacienda desde 1907, trabajando en relación a los presupuestos municipales, y su situación fue ratificada después por Real Orden de 17 de diciembre de 1909.

El 16 de noviembre de 1909 fue nombrado representante del Ministerio de Fomento en la Asamblea General del Instituto Internacional de Agricultura de Roma, que se celebró allí en diciembre de ese año.

Tuvo también un papel importante durante las reformas impulsadas por el gobierno de Canalejas en 1910, dando una gran flexibilidad a las contribuciones territoriales. Imbuido del pensamiento krausista, aunque relativamente distanciado de los institucionistas, de fuerte pensamiento católico, y con cierta afinidad por la idea del despotismo ilustrado, el pensamiento político de Flores de Lemus estuvo cercano a la figura del reformista conservador Antonio Maura, pero según el propio Flores de Lemus indicaría, se negó en varias ocasiones a asumir una cartera ministerial en dicho gobierno por su desapego al juego político.

Al año siguiente fue nombrado Jefe de Estadística de la Dirección General de Contribuciones por Real Decreto de 31 diciembre 1910. En 1911 escribió por encargo de Canalejas un proyecto de reforma de la hacienda municipal con el título Proyecto de Ley de Exacciones Municipales. De la misma manera, en 1913, escribió por orden del Ministro de Hacienda una Memoria sobre la situación de las Contribuciones Directas que fue publicada por la Dirección General de Contribuciones.

Entre 1912 y 1920 realizó para el ministerio diversos estudios relativos a la imposición de las compañías mercantiles nacionales y extranjeras operantes en España y redactó los proyectos de ley correspondientes.

A raíz de la Primera Guerra Mundial, y dentro de su creciente labor en el Ministerio de Hacienda, organizó con sus colaboradores un destacado Seminario de Economía Política que le auxilió en sus labores técnicas, y en el que alrededor de su despacho ministerial completaron su formación práctica varias destacadas figuras del ámbito académico como Ramón Carande, Gabriel Franco, Vicente Gay Forner, Luis Olariaga, Valentín Andrés Álvarez, José María Naharro, Jesús Prados Arrarte, José Castañeda, o Agustín Viñuales Pardo, varios de los cuales desempeñarían después responsabilidades técnicas y de gobierno.

Defensor de la dictadura de Primo de Rivera, en 1924 fue designado para ocupar un puesto en el Consejo de Economía Nacional, en 1925 publicó su trabajo sobre la orientación fundamental de la producción rural española, y en 1927 fue nombrado por Primo de Rivera presidente de la Comisión sobre el Impuesto de Rentas y Ganancias destinada a la reforma de las contribuciones directas, desde la que elaboró el correspondiente proyecto de reforma para la Asamblea Nacional, de la que también formó parte. De la misma manera, ante el desplome de la peseta durante la dictadura, en 1929 fue nombrado presidente de la Comisión para el Estudio de la Implantación del Patrón Oro y elaboró el correspondiente informe, estudio técnico que constituyó el primer modelo econométrico que analizaba el funcionamiento de la economía española, con el que convenció a Calvo Sotelo de los problemas que supondría integrarse en tal sistema monetario. Ese mismo año fue condecorado con la Gran Cruz de la Orden del Mérito Civil.

En líneas generales, su actividad como técnico de la administración se centró en la creación de una gran reforma fiscal, buscando la creación de un sistema tributario más efectivo y progresivo para la mejora de ingresos del Estado, que se materializaría en la realización de numerosos informes de gran influencia política, y derivaría en la búsqueda de un sistema de pago de impuestos de sociedades, y en la tardía creación de un impuesto de la renta sobre las personas físicas que tenía como base su informe de 1927 y que se pondría en marcha finalmente a través de la Ley Carner de 20 de diciembre de 1932.

Durante estos años, Flores de Lemus puso el acento en el desarrollo de la agricultura como uno de los motores fundamentales para la expansión de la economía española.

En 1929 fue nombrado Representante del Ministerio de Hacienda en el Consejo de Energía y en 1930 Consejero de la Compañía Arrendataria de del Monopolio de Petróleos S. A. (Campsa), así como Vocal del Consejo Superior de Ferrocarriles, y fue también representante de España en la Sociedad de Naciones en 1928 y 1929.

Con la proclamación de la Segunda República, y a pesar de alguna encendida defensa de la dictadura de Primo de Rivera en su momento, y de los cargos públicos ocupados en ella, el gobierno democrático le otorga una gran confianza por su valía profesional nombrándole consejero del Banco de España en diciembre de 1931. De nuevo en un papel técnico pero de suma importancia, Flores de Lemus volvió a trabajar en la reforma del Estado, al ser nombrado junto a Pascual Carrión miembro de la fundamental Comisión Técnica para la Reforma Agraria, reforma liderada por Felipe Sánchez Román que habría de poner en marcha uno de los proyectos más importantes de la Segunda República, proyecto que suponía en buena medida la culminación de algunas de sus teorías sobre la agricultura como motor económico del país, y la necesidad de modernización de esta para el desarrollo del país.

En esos años presidió también la representación del Estado Español en la Conferencia Económica de Londres celebrada en 1933.

Se trata, por tanto, de una sucesión de puestos de responsabilidad técnica de primer nivel, que hicieron de él uno de los funcionarios de mayor relieve en la administración del Estado español, a lo largo de los distintos regímenes políticos y gobiernos del primer tercio del siglo XX.

Durante la Guerra Civil Española dimitió de los cargos de Consejero, en representación del Estado, del Consejo de Administración del Banco de España así como de CAMPSA, dimisión admitida en la Gaceta de 7 de octubre de 1936. Después, el gobierno de la Segunda República notifico su cese en febrero de 1938 por abandono de su cátedra. Sin embargo, el Subsecretario de Instrucción Pública –Wenceslao Roces– pidió explicaciones ante tal cese, al no haber sido Flores de Lemus objeto de ninguna sanción, ni estar realmente incurso en abandono voluntario de destino, ya que su ausencia según decía el Subsecretario “ha sido oficialmente justificada por encontrarse desempeñando una comisión confiada por la Presidencia del Consejo de Ministros”, por lo que pedía la aclaración pública del error el 12 de marzo de 1938.