Archiviste-paléographe, Louis Demaison contribua, en tant que conservateur des archives de la Marne et de Reims, à la publication de textes inédits sur l'histoire de cette ville et à l'inventaire de la série G entre 1900 et 1931. Par ailleurs, il appartint dès sa création, avec Henri Jadart et Charles Givelet, à la commission d'archéologie nommée par le ministère de l'Instruction publique, le 9 janvier 1879, pour veiller à la conservation des « Monuments de l'art et de l'histoire ». Dans ce cadre il s'attacha, d'une part, à la sauvegarde des vestiges antiques du Musée lapidaire de Reims, dont il mena l'inventaire et l'étude entre 1865 et 1895 et, d'autre part, à la rédaction, pour le Répertoire archéologique de l'arrondissement de Reims, de la description des églises rurales de l'arrondissement, dès 1885. Son travail d'archiviste et ses recherches d'historien de l'art étaient ainsi intimement liés et s'épanouirent en dehors de toute restriction chronologique : aussi produisit-il des articles et des ouvrages embrassant toute l'histoire architecturale et artistique de la région champenoise entre la période antique et la période moderne, histoire dont il contribua, pour une grande part, à fixer les principaux jalons. Toutefois, c'est essentiellement à la connaissance de l'architecture religieuse et civile de la période gothique qu'il œuvra.
De tous les monuments de Reims, c'est naturellement la cathédrale qui retint surtout l'attention de Louis Demaison, faisant de lui "l'homme de la cathédrale de Reims". Ainsi, il en étudia les origines, remontant même jusqu'aux édifices qui ont précédé celui que l'on peut voir aujourd'hui. Il a retrouvé et précisé les dates des campagnes de construction, retrouvé les maîtres de l'oeuvre, remettant en lumière les noms de Jean d'Orbais, de Jean Le Loup, de Gaucher de Reims et de Bernard de Soissons. Il a décrit l'architecture, interprété l'iconographie. Auteur de nombreux articles sur le sujet, sa Cathédrale de Reims est un livre d'ensemble, qui reprend et condense toutes ses investigations, renouvelant l'histoire de l'édifice telle qu'elle avait été décrite par l'Abbé Cerf en 1861.