Ļevs Ļemke pabeidza Teātra skolu Dņepropetrovskā1959. gadā, pēc tam strādāja Maskavas Jaunajā miniatūru teātrī, spēlēja nelielas raksturlomas. 1962. gadā aktieris pārbrauca uz Ļeņingradu un sāka strādāt Ļeņingradas komēdijas teātrī, drīz kļūstot par vadošo trupas aktieri. Ļevs Ļemke vairāk bija zināms ar saviem skatuviskajiem darbiem, bez tam, viņš uzstājās ar dzejas vakariem, piedalījās izbraukumu koncertos, nodarbojās arī ar iestudēšanu. No 1963. līdz 1993. gadam filmējies 42 kinofilmās.
Ļevs Ļemke mira 1996. gada 4. augustā Sanktpēterburgā.