Lovren, de 33 anos, jogou pelo Lyon por três temporadas antes de passagens pelo Southampton e pelo Liverpool na Premier League.
Lovren ajudou os Reds a conquistarem seu primeiro título da Premier League, em 2020, e conquistou a Liga dos Campeões em 2019.
O croata foi o capitão do Zenit na conquista da Premier League russa nas duas últimas temporadas.
"Estou muito feliz por estar de volta ao Lyon, o clube que abriu as portas do futebol internacional para mim", disse Lovren, que levará experiência à jovem defesa da equipe.
"Quando saí em 2013, me arrependi de não ter mostrado o que posso fazer. Quero provar a todos que tipo de jogador eu sou."
Após Laurent Blanc assumir o comando em outubro, o Lyon está em oitavo lugar na Ligue 1, a nove pontos das vagas na Liga dos Campeões e a 20 pontos do líder Paris Saint-Germain.