Летохов родился в Тайшете (Иркутская область). В 1963 году окончил Московский физико-технический институт и поступил в аспирантуру ФИАН, где работал в 1963—1970 годах под руководством Н.Г. Басова. В 1970 году по приглашению С.Л. Мандельштама парешел в Институт спектроскопии АН СССР, руководил отделом лазерной спектроскопии, занимал должность заместителя директора. Одновременно с 1972 года являлся профессором МФТИ.
Среди учеников Летохова 60 кандидатов и 12 докторов наук.
Научные труды Летохова посвящены квантовой электронике и ее приложениям, нелинейной оптике, лазерной спектроскопии. Развивал методы генерации мощных лазерных импульсов. Изучал процессы взаимодействия лазерного излучения с веществом, в том числе с одиночными атомами и молекулами: многофотонную диссоциацию, детектирование частиц для целей сверхчувствительного анализа, лазерное охлаждение атомов, процессы управления атомными пучками и органическими молекулами при помощи сверхкоротких импульсов света. Ряд работ посвящен лазерным явлениям в космосе.