Лев Абрамович Кассиль родился 27 июня 1905 года в Покровской слободе, ныне город Энгельс, Саратовская область, в семье врача Абрама Григорьевича Кассиля и учительницы музыки, затем зубного врача Анны Иосифовны Перельман. Учился в гимназии, после революции преобразованной в Единую трудовую школу, которую окончил в 1923 году.
Сотрудничал с Покровской детской библиотекой-читальней, при которой для детей организовывались различные кружки, в том числе издавался и рукописный журнал, редактором и художником которого был Кассиль.
С 1923 года жил в Москве. В 1927 году окончил три курса физико-математического факультета МГУ. К третьему курсу студента физмата «неотвратимо потянуло писать», и он принялся строчить домой письма, которые порой достигали 25-30 страниц. Кассиль много бродил по Москве и в письмах описывал всё, что видел: новостройки, футбол, театры, выставки, музеи. А младший брат Кассиля, Иосиф Оська, забирал эти письма у матери, перепечатывал на машинке и относил в местную газету. Там появился целый цикл «Письма из Москвы». Оська получал гонорары и на эти деньги водил своих приятелей в кино, угощал их пирожными — «за здоровье брата». Узнав об этих проделках, старший брат решил, что и сам мог бы позаботиться о своём здоровье. С 1925 года начал заниматься литературой. В 1928—1937 годах был очеркистом, фельетонистом и специальным корреспондентом газеты «Известия». В 1937 году, затем в 1941—1942 годах — ответственный редактор журнала «Мурзилка».
В годы Великой Отечественной войны Л. А. Кассиль выступал по радио, в школах, воинских частях, на предприятиях Москвы и Урала. В 1947—1948 годах работал председателем комиссии по детской литературе СП СССР. В 1947—1949 годах был руководителем семинара детской литературы в Литературном институте имени А. М. Горького.
Как детского писателя его первым представил В. В. Маяковский в журнале «Новый ЛЕФ» за 1927 год. Самое значительное из его произведений, «Кондуит и Швамбрания», написанное на автобиографическом материале, рассказывает о жизни гимназистов в дореволюционной России и в 1917—1919 годах. После ареста младшего брата писателя Иосифа Кассиля в 1937 году книга много лет не переиздавалась, но не была изъята из библиотек. «Вратарь Республики» — первый советский роман о спорте. Участник групп «ЛЕФ» и «Реф».
Автор идеи проведения Книжкиных именин, трансформировавшихся со временем в Неделю детской книги.
Жил в Москве, с 1947 года по 1970 год — в Камергерском переулке, № 5/7, строение 1, квартира № 23, на доме установлена мемориальная доска.
Умер Кассиль в Москве 21 июня 1970 года, от инфаркта, случившегося, когда он смотрел телетрансляцию финального матча на чемпионате мира по футболу. Похоронен на Новодевичьем кладбище.
В Энгельсе существует Дом-музей Льва Кассиля и улица его имени, а в сквере его имени на Площади Свободы ему установлен памятник.
