Dzimis 1912. gadā dzejnieku Nikolaja Gumiļova un Annas Ahmatovas ģimenē. Kad Ļevam bija 9 gadi, tēvs tika sodīts ar nāvi. No 1938. līdz 1944. gadam Ļevs Gumiļovs pavadīja ieslodzījumā Noriļlaga nometnē. No 1944. līdz 1945. gadam piedalījās Otrā pasaules kara kaujās Polijas un Vācijas teritorijā. Pēc kara beigām viņam atļāva pabeigt pirms apcietinājuma sāktās studijas Ļeņingradas universitātē, taču 1949. gadā atkal apcietināja un ieslodzīja Gulaga nometnēs Kazahstānas teritorijā.
Pēc atbrīvošanas 1956. gadā sāka strādāt Ermitāžā, kur ieintesējās par huņņu un hazāru vēsturi. No 1962. līdz 1987. gadam strādāja Ļeņingradas universitātes Ģeogrāfijas fakultātē. Ieguva divus doktora grādus - vēsturē (1961) un ģeogrāfijā (1974).
Mūža nogalē pievērsās Krievijas vēsturei, uzsverot Eirāzijas stepju klejotāju tautu izšķirošo nozīmi Senās Krievzemes (Русь) pārveidē par mūsdienu Krievijas (Россия) lielvalsti.
Ļevs Gumiļovs ir 12 monogrāfiju un vaikāk kā 200 rakstu autors. Līdz 1974. gadam pētīja huņņu, hazāru un seno tjurku tautu vēsturi, bet pēc tam pievērsās jaunas etnoģenēzes teorijas radīšanai, sasaistot to ar Zemes biosfēras cikliskajām izmaiņām.
Mark Bassin. The Gumilev mystique: biopolitics, Eurasianism, and the construction of community in modern Russia. Ithaca: Cornell University Press, 2016.