Лев Кулешов родился в Тамбове 13 января 1899 года.
В 1914 году окончил Московское училище живописи, ваяния и зодчества.
В кино он начал работать как художник с 1916 года.
Лев Владимирович являлся одним из пионеров советского и мирового киноискусства, сыграл большую роль в исследовании специфики киноискусства, в развитии киноязыка, монтажа, технологии съёмок.
В 1918—1920 годах руководил документальными съёмками на фронтах Гражданской войны. Поставил агитфильм «На красном фронте» (1920).
В 1919 году организовал учебную мастерскую в Госкиношколе. Среди его учеников — В. И. Пудовкин, Б. В. Барнет, В. М. Георгиев, М. И. Ромм, Л. В. Махнач, С. П. Комаров, А. С. Хохлова, ставшая его женой.
К числу наиболее значительных фильмов Кулешова относятся: «Необычайные приключения мистера Веста в стране большевиков» (1924), «По закону» (1926, по рассказу Дж. Лондона «Неожиданное»), «Великий утешитель» (1933, по мотивам биографии О. Генри).
Для фильмов Кулешова характерна напряжённость сюжета, остро очерченный рисунок ролей, высокая изобразительная культура.
С 1944 года Лев Кулешов занимался главным образом педагогической работой во ВГИКе (профессор с 1939, руководил режиссёрской мастерской).
Кулешов — автор исследований по теории и практике киноискусства, в том числе знаменитой книги-учебника «Основы кинорежиссуры» (1941 год), переведённой на многие языки мира. В ней четко, наглядно и доступно для начинающих кинематографистов изложена «азбука практики и теории режиссёрской работы». Она содержала в себе открытия в области монтажного кинематографа, в том числе «эффект Кулешова» и «географический эксперимент Кулешова», считающиеся основами основ языка кино.
Позднее, в 1946 году, ему будет присвоена за эту книгу ученая степень доктора наук.
С тех пор, практически все кинорежиссёры учились по этой работе, переизданной во многих странах в серии «памятники кинематографической мысли». Известны слова последователей мастера, выпускников ВГИКа — «Мы делаем картины — Кулешов сделал кинематографию.»
Последние годы жизни Лев Кулешов и Александра Хохлова провели вместе в небольшой квартире в доме на Ленинском проспекте Москвы.
Умер Лев Кулешов в Москве 29 марта 1970 года. Похоронен на Новодевичьем кладбище.