Родился в семье актёра балета Мариинского театра Платона Константиновича Карсавина и его жены Анны Иосифовны, урождённой Хомяковой, дочери двоюродного брата (то есть внучатой племянницы) известного славянофила А. С. Хомякова. Брат балерины Тамары Карсавиной. Ученик И. М. Гревса, окончил Историко-филологический факультет Петербургского университета (1906). С 1909 преподавал в Историко-филологическом институте (профессор с 1912) и на Высших женских (Бестужевских) курсах; приват-доцент Петербургского университета (с 1912), затем профессор (с 1916).
Магистерская диссертация — монография «Очерки религиозной жизни в Италии XII—XIII веков» (1912; защитил в 1913). Инспектор Историко-филологического института (1914). Докторская диссертация — «Основы средневековой религиозности в XII—XIII вв., преимущественно в Италии» (1915; защитил в 1916).
Участник петроградского «Братства Святой Софии» (1918—1922). В 1920 один из учредителей издательства «Петрополис», один из учредителей и профессоров Богословского института. В 1921 избран профессором Общественно-педагогического и правового отделений факультета общественных наук Петроградского университета, председателем Общественно-педагогического отделения.
В августе 1922 был арестован и приговорён к высылке за границу без права возвращения. Освобождён незадолго до высылки.
Выслан в ноябре 1922 вместе с группой из сорока пяти деятелей науки и культуры (Н. А. Бердяев, С. Н. Булгаков, С. Л. Франк, И. Ильин и др.) и членами их семей в Германию. В Берлине был избран товарищем председателя Бюро Русского академического союза в Германии, стал одним из организаторов, затем сотрудник Русского научного института, соучредитель (вместе с Н. А. Котляревским) издательства «Обелиск». С 1926 жил в Кламаре под Парижем. Примкнул к евразийскому движению: возглавил Евразийский семинар в Париже, был членом редколлегии газеты «Евразия» (1928—1929) и её ведущим автором, участвовал в евразийских сборниках.
В конце 1927 получил приглашение занять кафедру всеобщей истории в Литовском университете (Каунас; впоследствии Университет Витаутаса Великого). С 1928 жил в Каунасе; в 1928—1940 профессор всеобщей истории университета в Каунасе (с 1929 преподавал на литовском языке). С переводом гуманитарного факультета университета в Вильнюс (1940) стал профессором Вильнюсского университета. С 1941 одновременно преподавал в Художественном институте. Короткое время работал в Художественном музее.
Живя в Литве, редактировал академические издания, издал свои книги на русском языке «О личности» (1929) и «Поэма о смерти» (1931). На литовском языке опубликовал работу «Теория истории» (1929), фундаментальное пятитомное исследование «История европейской культуры» („Europos kult?ros istorija“, 1931—1937), несколько десятков статей по средневековой философии и теологии в «Литовской энциклопедии» („Lietuvi?koji enciklopedija“) и журналах.
В 1944 советскими властями отстранен от преподавания в Вильнюсском университете, уволен из музея. В 1949 уволен из Художественного института, арестован и обвинён в участии в антисоветском евразийском движении и подготовке свержения советской власти. В марте 1950 приговорен к десяти годам исправительно-трудовых лагерей. Умер от туберкулёза в спецлагере для инвалидов в посёлке Абезь Коми АССР.
В 1989 году в результате многолетнего поиска В. И. Шаронова на чудом уцелевшем лагерном кладбище близ поселка Абезь было В. И. Шароновым установлено место захоронения Л. П. Карсавина. Это стало возможным благодаря личному архиву Е. И. Ванеевой, вдовы ученика Л. П. Карсавина, в котором сохранилась фотография Владаса Шимкунаса у могилы с литерой «П-11», занесенной в личное дело НКВД Льва Карсавина, как литера захоронения, а также свидетельствам бывших заключенных Абезьского лагеря. В 1990 году в Литве у лидеров «Саюдиса» возникла идея перенесения останков Карсавина в Вильнюс. Дочери Карсавина Сусанна и Марианна высказались против такой идеи. После вмешательства авторитетного католического священника Станисловаса Добровольскиса попытки перенести прах Карсавина прекратились. В 1990 году житель Абези Виктор Ложкин установил на могиле крест, а литовские общественные организации — памятник репрессированным в форме разъятого металлического листа на постаменте с разрывом в виде креста.
В декабре 1992 года в связи со 110-летием со дня рождения в центре Каунаса на доме по улице Кревос (Kr?vos g. 7), в котором Карсавин жил в 1935—1940 годах, была открыта мемориальная таблица с барельефом (скульптор Владас Жуклис, архитектор Йонас Лукше). Имя Карсавина носят школа в Каунасе (с 1994 года; была средней школой, ныне восьмилетняя) и средняя школа в Вильнюсе (с 1996 года). 17 октября 2005 года на фасаде дома в Вильнюсе (улица Диджёйи, 1; так называемый «дом Франка»), в котором жил Карсавин в 1940—1949 годах, открыта памятная таблица из песочно-розового мрамора с барельефом учёного (работа скульптора Ромуалдаса Квинтаса) и с текстом на литовском и русском языках. 3 февраля 2006 года в Каунасе на так называемом «профессорском доме» (?emuogi? g. 6) открыта коллективная мемориальная таблица в память живших в этом здании профессоров Университета Витаутаса Великого с упоминанием Льва Карсавина, жившего здесь 1928—1929 годах (архитектор Йонас Лукше).
На литовском языке переиздана «История европейской культуры» и другие сочинения Карсавина. В составленную поэтом и переводчиком Альфонсасом Буконтасом книгу на литовском языке вошли отдельные трактаты и поэзия. В переводах Альфонсаса Буконтаса была издана книга сонетов и терцинов Карсавина (с параллельным текстом на русском языке)
Работы раннего периода, основанные на обширном материале исторических источников, посвящены истории средневековых религиозных течений и духовной культуры средневековья.
Развивал своеобразную версию «философии всеединства» применительно к проблеме личности, методологии истории, истории культуры, гносеологии, этике, социологии, стремясь к созданию целостной системы христианского миросозерцания. Опирался на раннехристианские учения (патристика, Ориген) и русскую религиозную философию, в особенности на традицию В. С. Соловьёва. Категория всеединства у Карсавина понимается как динамический принцип становления бытия и в качестве фундаментальной категории исторического процесса лежит в основе историософии.