Основоположник пассионарной теории этногенеза.
Родился в Царском селе 1 октября 1912 года. Сын поэтов Николая Гумилёва и Анны Ахматовой. В детстве воспитывался у бабушки в имении Слепнёво Бежецкого уезда Тверской губернии.
С 1917 до 1929 года жил в Бежецке. Учился в школе № 1 г. Бежецка с 1926 года по 1929 год. С 1930 года в Ленинграде. В 1930—1934 годах работал в экспедициях в Саянах, на Памире и в Крыму. С 1934 г. начал учиться на историческом факультете Ленинградского университета.
В 1935 году был исключён из университета и арестован, но через некоторое время освобождён по просьбе матери. В 1937 году был восстановлен в ЛГУ.
В марте 1938 года был снова арестован, будучи студентом ЛГУ, и осуждён на пять лет. Он проходил по одному делу с двумя другими студентами ЛГУ — Николаем Ереховичем и Теодором Шумовским. Срок отбывал в Норильлаге. 21 сентября 1939 года Гумилев попадает в 4-е лаготделение Норильлага. За весь срок заключения он успел поработать землекопом, горняком меднорудной шахты, книгохранителем библиотеки на руднике 3/6, техником, геологом (в геотехнической, а затем в геофизической группе горного управления), а к концу срока стал даже лаборантом-химиком. По отбытии срока был оставлен в Норильске без права выезда. Здесь нужно отметить, по воспоминанию самого Л. Н. Гумилева во время ссылки в Норильлаге он в одной наре несколько лет жил вместе с отцом великого казахского поэта и государственного, общественного деятеля О. О. Сулейменова — Омархана Сулейменулы (1906—1940).
Осенью 1944 года добровольно вступил в Красную Армию, воевал рядовым в 1386-м зенитно-артиллерийском полку, входившем в 31-ю зенитно-артиллерийскую дивизию на Первом Белорусском фронте, закончив войну в Берлине.
Писал стихи на военную тему.
В 1945 году был демобилизован, восстановлен в ЛГУ, который окончил в начале 1946 года и поступил в аспирантуру Ленинградского отделения Института востоковедения АН СССР, откуда был исключён с формулировкой «в связи с несоответствием филологической подготовки избранной специальности».
28 декабря 1948 года защитил в ЛГУ диссертацию на степень кандидата исторических наук по теме «Подробная политическая история первого тюркского каганата», принят научным сотрудником в Музей этнографии народов СССР.
7 ноября 1949 года был вновь арестован, осуждён Особым совещанием на 10 лет, которые отбывал сначала в лагере особого назначения в Шерубай-Нура около Караганды, затем в лагере у Междуреченска в Кемеровской области, в Саянах. 11 мая 1956 года реабилитирован по причине отсутствия состава преступления.
C 1956 г. работал библиотекарем в Эрмитаже. В 1961 году защитил докторскую диссертацию по истории («Древние тюрки VI—VIII вв.»), а в 1974 году — докторскую диссертацию по географии («Этногенез и биосфера Земли»). 21 мая 1976 года ему было отказано в присуждении второй степени доктора географических наук.
15 мая 1990 года на заседании Секции синергетики географических систем РГО, посвящённом 25-летию пассионарной теории этногенеза, Л. Г. Колотило выступил с предложением о выдвижении Л. Н. Гумилёва в действительные члены АН СССР. В этот же день данное предложение огласили участники круглого стола на Ленинградском телевидении в программе «Зеркало», где участвовали Л. Н. Гумилёв, А. М. Панченко, К. П. Иванов и Л. Г. Колотило. В конечном итоге академиком АН СССР Л. Н. Гумилёв избран не был. В 1991 году избран академиком Российской академии естественных наук (РАЕН). До выхода на пенсию в 1986 году работал в Научно-исследовательском институте географии при Ленинградском государственном университете.
Умер 15 июня 1992 года в Санкт-Петербурге. Отпет в церкви Воскресения Христова у Варшавского вокзала. Похоронен на Никольском кладбище Александро-Невской лавры .
В августе 2005 года в Казани «в связи с днями Санкт-Петербурга и празднованием тысячелетия города Казань» Льву Гумилёву был поставлен памятник, на постаменте которого выбиты слова: «Русскому человеку, всю жизнь защищавшему татар от клеветы».
По инициативе президента Казахстана Нурсултана Назарбаева в 1996 году в столице Казахстана Астане именем Гумилёва был назван один из вузов страны, Евразийский Национальный университет имени Л. Н. Гумилёва. В 2002 году в стенах университета был создан кабинет-музей Л. Н. Гумилёва.
Лев Гумилёв предложил комплекс оригинальных методов изучения этногенеза, заключающихся в параллельном изучении исторических сведений о климате, геологии и географии вмещающего ландшафта и археологических и культурных источников. Основу его исследования составила оригинальная пассионарная теория этногенеза, с помощью которой он пытался объяснить закономерности исторического процесса
Один из теоретиков евразийства П. Н. Савицкий состоял с Л. Н. Гумилёвым в многолетней переписке. Например, масштабы монголо-татарского ига Л. Н. Гумилёв и П. Н. Савицкий считали сильно преувеличенными. В своей переписке они сошлись во мнении, что для русско-монгольских отношений был характерен скорее симбиоз, а серьёзные столкновения были связаны, в основном, с ордынскими мусульманами, более радикальными, чем остальные монголы. Китай у него предстаёт не мирным оплотом цивилизации, борющимся с захватчиками, а хищным агрессором. То же самое он говорит о Европе: критика европоцентризма занимает в его трудах большое место. Древних (до XIV века) и современных русских он считает разными этносами, причем первых отличает и от предшествующего этноса — славян.
Теория Гумилёва не является общепризнанной, и ряд авторов подвергает её жёсткой критике. Одной из основных претензий к ней является её несоответствие критериям научности эмпирической теории. Некоторые авторы причисляют теорию Гумилева к т. н. фолк-хистори. Как пишет Яков Лурье, проверка историографического построения Гумилева «на материале источников по истории древней Руси обнаруживает, что перед нами — не попытка обобщить реальный эмпирический материал, а плод предвзятых идей и авторской фантазии». Некоторые аналитики полагают, что Лев Гумилёв несёт ответственность за придание доктрине русских националистов ореола научности, а Виктор Шнирельман и Александр Янов прямо обвинили Гумилёва в антисемитизме.
При этом «научно-просветительский» журнал «Скепсис» открыто называет Гумилёва лжеучёным. Представление о том, что деятельность Льва Гумилёва следует отнести к лженаучной, получило определённое распространение в среде учёных-историков. Так, российский и американский историк, политолог и публицист Александр Львович Янов в своей статье «Учение Льва Гумилёва», опубликованной в журнале «Свободная мысль» в 1992 году, называя Гумилёва «одним из самых талантливых и, без сомнения, самым эрудированным представителем молчаливого большинства советской интеллигенции», в то же время высказал мнение о том, что отсутствие объективного и верифицируемого критерия новизны этноса не только делает гипотезу Гумилева несовместимой с требованиями естествознания, но и вообще выводит её за пределы науки. По его утверждению, это было вызвано с занятой Гумилёвым позицией изображения лояльности Советской власти, которая в условиях посттоталитарного общества делает сохранение человеческого достоинства весьма сомнительным. В результате, по мнению Янова, Гумилёв и ему подобные «до такой степени привыкли к эзоповскому языку, что он постепенно стал для них родным». В доказательство этого Янов приводит тот факт, что Гумилёв называл диалектический материализм методологической основой своей теории. Также, по его мнению, сыграла свою пагубную роль оторванность советского общества от «мировой культуры», в результате чего, будучи «погребённым под глыбами вездесущей цензуры», Гумилёв не имел возможности ознакомиться с достижениями находящейся на магистральном пути науки современной ему западной исторической мысли, а также ситуация, в которой «идеи рождались, старились и умирали, так и не успев реализоваться, …гипотезы провозглашались, но навсегда оставались непроверенными». На схожей точке зрения по вопросу отнесения теории Гумилёва к лженауке стояли советский литературовед и историк Яков Соломонович Лурье, а также российский учёный-интеллектуал, археолог, культур-антрополог, филолог, историк науки и исследователь гомосексуальности, один из виднейших современных российских норманистов Лев Самуилович Клейн. При многие оппоненты Гумилёва, например главный научный сотрудник Института этнологии и антропологии РАН, доктор исторических наук Виктор Шнирельман и заведующий отделом стран СНГ Института востоковедения РАН, главный редактор журнала «Вестник Евразии» Сергей Панарин не подвергают сомнению тот факт, что Гумилёв в своей теории оставался в рамках исторической науки и избегают в отношении его деятельности терминов «лженаука» и даже т. н. «фолк-хистори», отмечая лишь, что он лишь «подготовил почву» для «фолк-хисторических» измышлений.