Лев Термен родился в дворянской православной семье с французскими корнями (по-французски родовая фамилия писалась как Theremin). Мать — Евгения Антоновна и отец — известный юрист Сергей Эмильевич — на образование Льва денег не жалели.
Первые самостоятельные опыты по электротехнике Лев Термен осуществил ещё в годы обучения в Петербургской первой мужской гимназии.
В 1916 году окончил Петербургскую консерваторию по классу виолончели, параллельно обучался на физическом и астрономическом факультетах Петербургского университета.
В боевых действиях Первой мировой войны не участвовал. В 1916 году его призвали в армию и направили на ускоренную подготовку в Николаевское инженерное училище, а затем на офицерские электротехнические курсы. Революция застала его младшим офицером запасного электротехнического батальона, обслуживавшего самую мощную в империи Царскосельскую радиостанцию под Петроградом.
После Октябрьской революции 1917 года был направлен для работы на Детскосельскую радиостанцию под Петроградом (тогда — самую мощную радиостанцию в России), позже — в военную радиолабораторию в городе Москве.
В 1919 году Термен стал заведующим лабораторией Физико-технического института в Петрограде.Его взял на работу в Физико-технический институт в Петрограде Абрам Иоффе.
Параллельно с 1923 года сотрудничал с Государственным институтом музыкальной науки в Москве. В 1920 изобрёл электромузыкальный инструмент «Терменвокс», сделавший его впоследствии очень известным. В литературе, посвященной жизни Ленина, описана его встреча с Терменом в Кремле в марте 1922 года. Во время встречи Лев Сергеевич показывал свой инструмент, объяснял принцип его работы, а Ленин пытался исполнить на терменвоксе «Жаворонка» Глинки.
Будучи весьма разносторонним человеком, Термен изобрёл множество различных автоматических систем (автоматические двери, автоматы освещения и т. д.), сигнализаций и охранных устройств. В 1925—1926 годах изобрёл одну из первых телевизионных систем — «Дальновидение».
В 1927 году при содействии академика Иоффе Термен получил приглашение на Международную конференцию по физике и электронике во Франкфурте-на-Майне. Доклад Термена и демонстрация его изобретений пользовались огромным успехом и принесли ему всемирную известность.
В 1928 году Термен, оставаясь советским гражданином, переехал в США. По приезде в США он запатентовал терменвокс и свою систему охранной сигнализации и продал лицензию на право производства этих устройств компании RCA (Radio Corporation of America).
По указанию начальника советской военной разведки Яна Берзина на заработанные деньги Термен организовал компанию «Teletouch» и арендовал в Нью-Йорке на 99 лет шестиэтажное здание для музыкально-танцевальной студии. Это дало возможность создать в США торговые представительства СССР, под «крышей» которых могли работать советские разведчики.
С 1931 по 1938 годы Термен был директором Teletouch Inc. Тогда же он разработал системы сигнализаций для тюрем Синг-Синг и Алькатрас.
Вскоре Лев Термен стал очень популярным в Нью-Йорке человеком. В его студии бывали Джордж Гершвин, Морис Равель, Яша Хейфец, Иегуди Менухин, Чарли Чаплин, Альберт Эйнштейн. В круг его знакомых входили финансовый магнат Джон Рокфеллер, будущий президент США Дуайт Эйзенхауэр.
С лучшими оркестрами Лев Термен давал многочисленные концерты по всей Америке и Европе. Заказы на терменвоксы поступали из разных стран.
Популярная в США талантливая балерина и красавица, негритянка Лавиния Вильямс, стала его женой (брак с первой женой распался).
В 1938 году Термена отозвали в Москву. Он тайно уехал из США, оформив на имя владельца фирмы «Teletouch» Боба Зинмана доверенность распоряжаться его имуществом и управлять патентными и финансовыми делами. Термен хотел взять с собой в СССР и жену Лавинию, но ему сказали, что она приедет позже. Когда за ним пришли, Лавиния случайно оказалась дома, и у неё создалось впечатление, что мужа увели насильно. С тех пор и до конца шестидесятых годов в Америке Термен числился умершим, и многие годы в энциклопедических справочниках рядом с его фамилией стояли даты (1896—1938).
В Ленинграде Термен безуспешно пытался устроиться на работу, потом он переехал в Москву, но работу там также не нашёл.
В марте 1939 г. его арестовали. Есть две версии того, какое обвинение ему было предъявлено. Согласно одной из них, он обвинялся в причастности к фашистской организации, согласно другой, которую в том числе в своих интервью распространяет его дочь Наталья Термен, он обвинялся в подготовке убийства Кирова. Его вынудили оговорить себя, что группа астрономов из Пулковской обсерватории готовилась поместить фугас в маятник Фуко, а Термен должен был послать из США радиосигнал и взорвать фугас, как только к маятнику подойдет Киров. Особое Совещание при НКВД СССР приговорило Термена к 8 годам лагерей и его отправили в лагерь на Колыму.
Первое время Термен отбывал срок в Магадане, работая бригадиром строительной бригады. Многочисленные рационализаторские предложения Термена привлекли к нему внимание администрации лагеря, и уже в 1940 году он был переведён в туполевское конструкторское бюро ЦКБ-29 (в так называемую «шарашку»), где проработал около 8 лет. Здесь его ассистентом был Сергей Павлович Королёв, впоследствии — известный конструктор космической техники. Одним из направлений деятельности Термена и Королёва была разработка беспилотных летательных аппаратов, управляемых по радио — прообразов современных крылатых ракет.
В 1947 году был реабилитирован, но продолжил работу в закрытых конструкторских бюро в системе НКВД, где занимался, в частности, разработкой подслушивающих систем. Одна из его разработок — подслушивающая система «Буран», считывающая с помощью отражённого инфракрасного луча вибрации стекла в окнах прослушиваемого помещения. Именно это изобретение Термена было отмечено Сталинской премией первой степени. Но из-за весьма пикантного статуса лауреата (на момент представления к премии Термен был ещё заключённым) и закрытого характера его работ, о награждении нигде публично не сообщалось. В 1948 году у него и его жены, Марии Гущиной рождаются две дочери — Наталья Термен и Елена Термен.
С 1964 по 1967 год Термен работал в лаборатории Московской консерватории, посвятив все силы разработке новых электромузыкальных инструментов, а также восстановлению всего того, что успел изобрести в 1930-е годы. По некоторым данным, в этот период Термен работал «на общественных началах», безвозмездно.
В 1967 году, после публикации в газете «New York Times» заметки о том, что Термен жив и работает в СССР, он был уволен из Московской консерватории, все его инструменты были изрублены топором и выброшены на свалку. Не без труда устроился на работу в лабораторию при Физическом факультете МГУ. Формально Термен числился на должности рабочего, но фактически продолжал самостоятельные научные исследования. Активная научная деятельность Л. С. Термена продолжалась практически до самой его смерти.
В 1989 году состоялась поездка (вместе с дочерью, Натальей Термен) на фестиваль в Бурже (Франция).
В 1991 году вместе с дочерью, Натальей Термен и внучкой, Ольгой Термен, посетил США по приглашению Стэнфордского университета и там, помимо прочего, встретился с Кларой Рокмор.
В марте 1991 года, в возрасте 95 лет, вступил в КПСС. На вопрос, зачем он вступает в разваливающуюся партию, Термен отвечал: «Я обещал Ленину».
В 1992 году неизвестные разгромили комнату-лабораторию на Ломоносовском проспекте, были разбиты все его инструменты, выкрадена часть архивов. Милиция преступление не раскрыла.
В 1993 году Лев Термен умер. Как писали позднее газеты: «В девяносто семь лет Лев Термен ушел к тем, кто составлял лицо эпохи — но за гробом, кроме дочерей с семьями и нескольких мужчин, несущих гроб, никого не было…»
Похоронен на Кунцевском кладбище в Москве.