Лев Шаповалов родился в Москве в дворянской семье. Отец погиб в Первую мировую войну. В 1918 году его мать вместе сыновьями уехала в село Успенское Орловской губернии. В том же году Лев Шаповалов вступил в комсомол и возглавил сельскую комсомольскую ячейку, в 1920 году вступил в ВКП (б). В 1921 году возглавил уездный комитет комсомола.
В 1923 году Лев Шаповалов был направлен на учёбу в МГУ, учился на медицинском факультете. Во время учёбы также занимался общественными науками, работал заведующим библиотекой. В это же время он посещал занятия в литературном кружке «Антенна», его очерки под псевдонимом Лев Овалов публиковались в «Рабочей Москве» и «Крестьянской газете». В 1928 году он был назначен главным редактором журнала «Селькор» В том же году вышла его первая повесть «Болтовня». В 1930-х годах Лев Овалов работал в редакции газеты «Комсомольская правда», возглавлял редакции журналов «Вокруг света» и «Молодая гвардия».
Первый рассказ о майоре Пронине «Синие мечи» был опубликован в 1939 году, после чего шесть рассказов о герое были напечатаны в 1939—1940 годах в журналах «Вокруг света» и «Знамя», затем вышли отдельным изданием в серии «Библиотечка красноармейца», а в 1941 году вошли в сборник «Приключения майора Пронина». В том же году в журнале «Огонёк» был опубликован роман «Голубой ангел», продолживший серию о майоре Пронине.
5 июля 1941 года Лев Овалов был арестован по обвинению в разглашении секретных сведений и осуждён, после чего 15 лет провёл в трудовых лагерях и ссылке. Там писатель работал по основной специальности — врачом, и познакомился с медсестрой Валентиной Клюкиной, с которой с конца 1940-х они начали жить вместе.
В это же время, в начале Великой Отечественной войны, его младший брат Дмитрий попал в плен и почти до конца войны находился в немецком концлагере, откуда был освобождён союзниками, но в СССР уже не вернулся.
В 1956 году Лев Овалов был реабилитирован и вернулся в Москву. С 1957 года им было написано и издано ещё три романа из цикла о майоре Пронине, последним из которых стал роман «Секретное оружие». В нем автор рассказывает об охоте одной из империалистических разведок на открытие советских ученых, создавших единую теорию поля.
В дальнейшем Овалов писал произведения на социально-производственную и историческую тематику.
Умер Лев Овалов 30 апреля 1997 года. По его завещанию писатель был кремирован, прах смешан с прахом его матери, хранившимся в семье, и развеян над водами канала имени Москвы возле его дачи.