Родился 10 июля 1905 г. (27 июня по старому стилю) в Покровской слободе Саратовской губернии (ныне г. Энгельс Саратовской обл.) в семье врача Абрама Кассиля и учительницы музыки, затем зубного врача Анны Перельман.
Лев Кассиль учился в гимназии, после революции 1917 г. преобразованной в единую трудовую школу, которую окончил в 1923 г. В том же году переехал в Москву. В 1923-1926 гг. проходил обучение на физико-математическом факультете Московского университета (образование не завершил).
В 1965 г. был избран членом-корреспондентом Академии педагогических наук СССР.
Первое произведение Льва Кассиля, рассказ "Приемник мистера Кисмиквика", было напечатано в 1925 г. в газете "Новости радио". Во второй половине 1920-х гг. писатель сблизился с литературным критиком Осипом Бриком и поэтом Владимиром Маяковским. Был участником групп "ЛЕФ" ("Левый фронт искусств") и "РЕФ" ("Революционный фронт"), объединявших деятелей левого авангарда и "пролетарского искусства".
В 1927 г. Лев Кассиль начал сотрудничать с журналом Маяковского "Новый ЛЕФ", с 1929 г. печатался в журнале "Пионер". Также с конца 1920-х гг. Кассиль был очеркистом, фельетонистом и специальным корреспондентом газеты "Известия". В 1930-х гг. публиковал в печати очерки об успехах социалистического строительства в СССР.
Всесоюзную известность Кассилю принесли автобиографические повести "Кондуит" (1930) и "Швамбрания" (1933). В них события Февральской и Октябрьской революции 1917 г., ломка старых гимназических порядков и создание советской, "трудовой", школы были описаны глазами мальчика из еврейской семьи, сочувствующего революционерам. В 1935 г. писатель значительно переработал обе повести, сократив в них автобиографические мотивы, и объединил их в одно произведение под названием "Кондуит и Швамбрания".
В июле - декабре 1937 г. и в 1941-1942 гг. Лев Кассиль был главным редактором детского журнала "Мурзилка".
В 1938 г. вышли из печати его повесть "Черемыш, брат героя" и роман о футболе "Вратарь республики".
В годы Великой Отечественной войны Лев Кассиль в качестве представителя Всесоюзного радиокомитета и журнала "Огонек" побывал на Северном флоте, Западном и 1-м Украинском фронтах. Также выступал с лекциями на предприятиях тыла и в воинских частях. В 1940-х гг. написал ряд произведений, посвященных военной тематике. Среди них рассказы "Линия связи", "Рассказ об отсутствующем" (1942), "Держись, капитан" (1943), "Портрет огнем" (1944), повесть "Дорогие мои мальчишки" (1944), художественно-документальная книга о пионере-герое Володе Дубинине "Улица младшего сына" (1949, совместно с Максом Поляновским) и др.
В 1947-1948 гг. Лев Кассиль занимал пост председателя комиссии по детской литературе Союза писателей СССР.
В 1947-1949 гг. вел семинар детской литературы в Литературном институте имени А. М. Горького в Москве.
В 1950-1960-х гг. писатель выпустил романы на спортивную тематику "Ход белой королевы" (1956, посвящен лыжному спорту) и "Чаша гладиатора" (1960, о жизни циркового борца), а также книгу "Будьте готовы, Ваше высочество!" (1964), посвященную воспитанию интернационализма в советском пионерском лагере.
Кроме того, Лев Кассиль выступал в качестве автора пропагандистских произведений для детей и юношества, в частности книги о перспективах строительства коммунизма в СССР "Про жизнь совсем хорошую" (1959). Издал ряд книг о близких ему писателях ("Маяковский - сам", 1940, "Сергей Михалков", 1954), выдающихся современниках – Константине Циолковском, Валерии Чкалове, Отто Шмидте ("Люди нового века", "Человек, шагнувший к звездам", обе - 1958), литературно-критические очерки и др.
Лев Кассиль являлся автором киносценариев по своим произведениям. Среди фильмов, снятых по его книгам, "Кондуит" (1935, режиссер Борис Шелонцев, соавтор сценария Лазарь Юдин), "Вратарь" (1936, режиссер Семен Тимошенко, соавтор сценария Михаил Юдин), "Брат героя" (1940, режиссер Юрий Васильчиков), "Улица младшего сына" (1962, режиссер Лев Голуб, соавтор сценария Макс Поляновский), "Ход белой королевы" (1971, режиссер и соавтор сценария Виктор Садовский).
Лев Кассиль скончался в Москве 21 июня 1970 г., был похоронен на Новодевичьем кладбище.
Писатель был награжден орденами "Знак Почета" (1939) и Красной Звезды (1945), двумя орденами Трудового Красного Знамени (1955, 1965).
Являлся лауреатом Сталинской премии III степени 1950 г. за книгу "Улица младшего сына".
В 1965-1966 гг. издательство "Детская литература" выпустило его собрание сочинений в пяти томах.
Лев Кассиль был дважды женат, у него было трое детей. Сыновья от первого брака - Владимир (1934-2017, врач-реаниматолог) и Дмитрий (1940-1996, художник). Дочь от второго брака - режиссер-мультипликатор Ирина Собинова-Кассиль (род. 1948).