Лев Абрамович Кассиль родился 27 июня 1905 года в Покровской слободе, ныне это город Энгельс в Саратовской области, в семье врача Абрама Григорьевича Кассиля и Анны Иосифовны Перельман, которая была сначала учительницей музыки, а затем зубным врачом. Он учился в гимназии, которая после революции стала Единой трудовой школой, и окончил её в 1923 году.

Кассиль сотрудничал с Покровской детской библиотекой-читальней, где для детей организовывались различные кружки и выпускался рукописный журнал, редактором и художником которого был он сам.

С 1923 года Кассиль жил в Москве. В 1927 году он завершил три курса физико-математического факультета МГУ. Уже к третьему курсу его увлекло написание текстов, и он начал отправлять домой письма, которые иногда достигали 25-30 страниц. В них он описывал свои прогулки по Москве, новостройки, футбол, театры, выставки и музеи. Его младший брат Иосиф, прозванный Оська, перепечатывал эти письма на машинке и публиковал в местной газете, где появился цикл «Письма из Москвы». Оська получал гонорары и тратил их на походы в кино и угощения для друзей. Узнав об этом, Лев решил, что и сам может заработать на литературе. С 1925 года он начал заниматься писательством. В 1928 и 1937 годах работал очеркистом, фельетонистом и специальным корреспондентом в газете «Известия». В 1937, 1941 и 1942 годах был ответственным редактором журнала «Мурзилка».

Во время Великой Отечественной войны Кассиль выступал по радио, в школах, воинских частях и на предприятиях Москвы и Урала. В 1947 и 1948 годах он возглавлял комиссию по детской литературе Союза писателей СССР, а в 1947 и 1949 годах руководил семинаром детской литературы в Литературном институте имени А. М. Горького.

В. В. Маяковский впервые представил его как детского писателя в журнале «Новый ЛЕФ» в 1927 году. Его наиболее известное произведение «Кондуит и Швамбрания», основанное на автобиографическом материале, рассказывает о жизни гимназистов в дореволюционной России и в 1917 и 1919 годах. После ареста младшего брата Иосифа в 1937 году книга долго не переиздавалась, но из библиотек не изымалась. «Вратарь Республики» стал первым советским романом о спорте. Кассиль также участвовал в группах «ЛЕФ» и «Реф».

Он предложил идею проведения Книжкиных именин, которые со временем превратились в Неделю детской книги.

С 1947 по 1970 год Кассиль жил в Москве в Камергерском переулке, дом 5/7, строение 1, квартира 23, где установлена мемориальная доска.

Кассиль скончался в Москве 21 июня 1970 года от инфаркта, случившегося во время просмотра финального матча чемпионата мира по футболу. Он похоронен на Новодевичьем кладбище.

В Энгельсе есть Дом-музей Льва Кассиля и улица его имени, а в сквере на Площади Свободы установлен памятник в его честь.