성균관대학교 의과대학 교수이자 강북삼성병원 정신건강의학과 전문의를 지냈다. 주로 우울증, 불안장애와 관련된 100여 편의 논문을 국내외 학술지에 게재하는 등 관련 학계에서 활발히 활동했으며, 대한불안의학회 학술지 「Anxiety and Mood」의 편집위원장을 역임했다. 강북삼성병원 기업정신건강연구소 부소장으로서 직장인의 우울증과 스트레스를 과학적으로 평가하고 개선하기 위한 여러 프로그램을 개발하는 한편, 보건복지부와 생명보험사회공헌재단의 후원으로 제작되어 전국적으로 보급 중인 한국형 표준자살예방 교육프로그램 ‘보고 듣고 말하기’를 만들었다. 고통스러운 만성 통증과 그에 수반되는 우울 증상을 경험한 후, 고난을 마주한 이들에게 필요한 ‘진정한 희망’에 대해 고민하며 『죽고 싶은 사람은 없다』를 썼다.

2018년 12월 31일 한 해의 마지막 날, 예약 없이 찾아온 환자를 끝까지 남아 진료하려다 환자에 의해 세상을 떠났다. 이후, 임세원 교수의 유족은 가해자에 대한 처벌을 촉구하기보다는 “마음이 아픈 사람들이 편견과 차별 없이 언제든 쉽게 도움을 받을 수 있는 사회를 만들어 달라”는 말로 고인의 유지에 동참할 뜻을 밝혀 큰 감동을 불러일으켰다. 2019년 의료기관 내에 의료인과 환자의 안전을 보장하기 위한 장치를 마련하고 의료인에게 상해를 가한 자에 대한 처벌을 강화하는 내용의 ‘임세원법’이 국회를 통과했고, 2020년 임세원 교수는 의사자로 지정되었다.