Родился 1 октября 1912 г. в Санкт-Петербурге (в 1924-1991 гг. - Ленинград) в семье поэтов Николая Степановича Гумилева (1886-1921) и Анны Андреевны Ахматовой (1889-1966). Воспитывался бабушкой, Анной Ивановой Гумилевой. Детство провел в доме Гумилевых в Царском Селе (ныне Пушкин, Санкт-Петербург), в 1917 г. с бабушкой переехал в Бежецк (ныне в Тверской обл.). В школьные годы увлекся историей, начал писать прозу и стихи.
После окончания школы в Бежецке в 1929 г. поселился в Ленинграде у матери, но не ужился с отчимом, историком искусства Николаем Пуниным. Не сумев из-за дворянского происхождения устроиться на постоянную работу и поступить в вуз, в 1931 г. Лев Гумилев впервые отправился в геологическую экспедицию (в Прибайкалье). В следующем году в составе экспедиционной партии впервые побывал в Таджикистане, где выучил таджикский язык.
В 1934 г. Лев Гумилев поступил на исторический факультет Ленинградского государственного университета (ЛГУ, ныне Санкт-Петербургский государственный университет). 23 октября 1935 г. был арестован вместе с отчимом по обвинению в создании террористической группы. После письма Анны Ахматовой главе государства Иосифу Сталину, в котором поэтесса писала: "Арест двух единственно близких мне людей наносит мне такой удар, который я уже не могу перенести", - оба они были освобождены, следствие против них было прекращено. Тем не менее, Лев Гумилев был отчислен из ЛГУ.
В 1936 г. участвовал в своей первой археологической экспедиции (в раскопках города-крепости Саркела на реке Дон). В 1937 г. был восстановлен в университете.
В ночь на 11 марта 1938 г. Лев Гумилев был снова арестован по обвинению в контрреволюционной деятельности и агитации, осужден на 10 лет лагерей. Несколько месяцев провел на лесозаготовках в Карелии. В 1939 г. после пересмотра приговора был отправлен на пять лет в Норильский исправительно-трудовой лагерь (Нориллаг). После отбытия наказания в 1943-1944 гг. работал вольнонаемным геологом на Таймыре. Осенью 1944 г. был призван в армию и направлен рядовым в зенитно-артиллерийский полк. Участвовал во взятии Штеттина (ныне Щецин, Польша) и Берлина.
После демобилизации в ноябре 1945 г. Лев Гумилев восстановился в ЛГУ, весной 1946 г. экстерном сдал государственные экзамены и защитил диплом по теме центральноазиатских терракотовых статуэток. В 1946 г. поступил в аспирантуру Института востоковедения АН СССР (на тот момент располагался в Ленинграде, ныне ИВ Российской академии наук, Москва), но вскоре был оттуда отчислен. В 1948 г. защитил в ЛГУ диссертацию кандидата исторических наук на тему "Политическая история первого тюркского каганата". После этого он устроился на должность старшего научного сотрудника Музея этнографии народов СССР (ныне Российский этнографический музей).
6 ноября 1949 г. Лев Гумилев был снова арестован и приговорен к десяти годам лагерей за антисоветскую деятельность. Срок отбывал сначала в Казахстане, затем в Омске. В мае 1956 г. Лев Гумилев был отпущен на свободу, 30 июля того же года дело против него было прекращено за отсутствием состава преступления. В 1975 г. он был также реабилитирован по делу 1938 г.
После освобождения Лев Гумилев устроился на работу лаборантом в Государственный Эрмитаж. Параллельно помогал матери с переводами поэзии.
В 1961 г. защитил написанную в лагере докторскую диссертацию "Древние тюрки. История Средней Азии на грани древности и средневековья (VI-VIII века)". В том же году окончательно порвал отношения с матерью. В своих мемуарах Гумилев заявлял, что Ахматова "потеряла к нему всякий интерес" и даже возлагал на нее вину за то, что она не пыталась добиться его освобождения из лагерей во время последнего заключения.
В 1963-1986 гг. работал научным сотрудником на географическом факультете ЛГУ. Вел курсы по этнографии. В 1974 г. защитил вторую докторскую диссертацию "Этногенез и биосфера Земли" (не была одобрена Высшей аттестационной комиссией).
В 1950-1960-х гг. специализировался на истории хунну, древних тюрок и хазар. В 1960-х гг. сформулировал свою собственную теорию этногенеза, согласно которой историческое развитие этносов проходит подобно жизненному циклу живых организмов, через ряд этапов, ключевым из которых является так называемый пассионарный толчок. Пассионарность, по мнению Гумилева, представляла собой аномальное поведение представителей этноса, когда у них проявлялся избыток энергии и тяги к деятельности вопреки инстинктам самосохранения, что позволяло народу или племени, в частности, вести активные завоевания за счет более старых "угасающих" этносов или переселяться за тысячи километров от исторической родины. Источником пассионарности Гумилев видел естественные географические и климатические условия: засухи или, наоборот, периоды избыточной влажности. На основе этого он предлагал оригинальные реконструкции истории взаимоотношений народов Центральной Азии, Руси с Золотой Ордой и др. В частности, Гумилев утверждал, что в русской истории нужно выделять, как минимум, два "пассионарных цикла": домонгольский и московско-петербургский. По его мнению, субъектом второго цикла были уже не сами русские, а суперэтнос, в которой также были интегрированы тюрко-монгольские и угрофинские элементы. С 1970-х гг. теоретические соображения Льва Гумилева сблизились с геополитическим движением евразийства.
Взгляды и теории ученого встречали возражения современников и современной наукой воспринимаются как маргинальные. Это не помешало слову "пассионарность" закрепиться в публицистике как образному выражению. Также невысоко оценивается и вклад Льва Гумилева в историю кочевых народов, поскольку из-за арестов он не имел возможности получить систематическое историческое образование, не знал китайского и ряд других языков, без которых невозможно знакомиться с первоисточниками. Большинство гипотез Льва Гумилева об истории Древней Руси, в частности, утверждения, что "Слово о полку Игореве" описывало историю монгольского нашествия, а не борьбу с половцами, были проигнорированы или решительно отвергнуты академической наукой. Вместе с тем признается, что его книги сыграли большую роль в популяризации истории благодаря живому, образному языку и хорошей эрудиции автора.
Лев Гумилев - автор 12 монографий и более 200 статей. Среди наиболее известных работ: "Хунну: "Срединная Азия в древние времена" (1960), "Древние тюрки" (1967), "Поиски вымышленного царства" (1970), "Этногенез и биосфера земли" (1979-1980, 1989), "Древняя Русь и Великая степь" (1989). Также на протяжении жизни писал художественную прозу и стихи.
После начала перестройки в СССР стали публиковать поэтические произведения Николая Гумилева, вырос интерес и к работам его сына, которые начали выпускаться большими тиражами.
В декабре 1991 г. был избран действительным членом Российской академии естественных наук.
Лев Гумилев скончался 15 июня 1992 г. в Санкт-Петербурге на 80-м году жизни. Похоронен на Никольском кладбище Александро-Невской лавры.
Награжден орденом Отечественной войны II степени (1985).
Был женат на художнице Наталье Симоновской (1920-2004).