Nascido em Cuiabá, Felipe Lima sempre praticou esportes. Na infância chegou a disputar eventos de ginástica artística, lutas e futebol. Após recomendação médica, começou a nadar aos 12 anos de idade na piscina da Universidade Federal de Mato Grosso. Com 15 anos, quando era juvenil 1, chamou a atenção dos principais clubes do país quando venceu seu primeiro título nacional de categoria. Em seguida, mudou-se para o Pinheiros tornou-se um dos principais peitistas do país.
Em 2006 chegou a seleção brasileira principal tendo nadado o Campeonato Mundial de curta de Xangai e o Campeonato Pan-Pacífico de Victoria. No ano seguinte manteve-se na seleção brasileira como o segundo melhor nadador nos 100m peito do país, atrás de Henrique Barbosa, disputando seu primeiro Mundial de longa em Melbourne e os Jogos Pan-Americanos do Rio, ganhando uma medalha com o 4x100m medley como reserva. Porém, em 2008 sofreu uma grande decepção.
Tido como favorito para obter a vaga, viu Felipe França crescer na hora certa e tomar seu lugar na seleção brasileira que disputou os Jogos Olímpicos de Pequim-2008. Retornou a seleção brasileira apenas em 2010 quando nadou o Pan-Pacífico de Irvine sendo finalista nos 100m peito. Em 2011 esteve na equipe que nadou o Mundial de longa de Xangai e os Jogos Pan-Americanos de Lima, onde foi vice-campeão nos 100m peito sendo batido por Felipe França.
Após perder sua vaga em 2008, Felipe conseguiu se classificar para os Jogos Olímpicos de Londres-2012 após um intenso duelo contra João Gomes Júnior. Porém, na capital britânica parou nas semifinais em 13º lugar. No ano seguinte conquistou sua primeira medalha em Mundiais tendo sido terceiro colocado nos 100m peito tendo conquistado o melhor tempo de sua carreira até então: 59s65.
Manteve-se competitivo no ciclo olímpico tendo nadado ainda dois Mundiais de curta (Istambul-2012 e Doha-2014), um Mundial de longa (Kazan-2015) e um Pan-Americano (Toronto-2015), tendo conquistado novas medalhas internacionais, porém, novamente ficou de fora da seleção olímpica e não conseguiu ir ao Rio-2016. No final daquele ano, ainda iria ao pódio com o revezamento 4x50m medley misto no Mundial de curta de Windsor-2016.
Mas ter ficado de fora dos Jogos no Rio não o desanimou e nos anos seguintes Felipe voltou a nadar bem. No Mundial de Budapeste-2017 ficou a 18 centésimos do pódio nos 50m peito e no Mundial de curta de Hangzhou-2018 ganhou duas medalhas de bronze nos 50m peito e com o 4x50m medley. Em 2019 retornou ao pódio de um Mundial de longa sendo vice-campeão mundial nos 50m peito dividindo o pódio com o amigo João Gomes, medalhista de bronze. Após anos treinando nos Estados Unidos, onde obteve a nacionalidade do país, retornou ao Brasil para tentar mais uma vez disputar os Jogos Olímpicos.
