Советский космонавт, кандидат технических наук, Герой Советского Союза. Являлся председателем Всесоюзного общества филателистов. Родился в Москве 11 января 1926 года. В 1942 году начал работать на заводе буровых машин токарем. Проходил обучение в спецшколе ВВС (окончил в 1945 году), Борисоглебском лётном училище (не окончил по состоянию здоровья), Московское авиационное училище связи (Тамбовское высшее военное авиационное инженерное училище) (окончил с отличием досрочно в 1949 году). После прохождения службы в частях Советской Армии, обучался в Военно-воздушной инженерной академии имени Н. Е. Жуковского (1951—1956). Впоследствии работал в академии и НИИ ВВС.

В 1963 году ему была присвоена учёная степень кандидата технических наук. В том же году был зачислен в отряд советских космонавтов и включён в состав дублирующего экипажа космического корабля «Восход-3», полёт которого был отменён. В июле 1974 года был в составе дублирующего экипажа космического корабля «Союз-14».

С 26 по 28 августа 1974 года совершил полёт в космос в качестве бортинженера космического корабля «Союз-15» (вместе с Геннадием Сарафановым). В результате нештатной ситуации в работе системы сближения предусмотренная программой полёта стыковка с орбитальной станцией «Салют-3» не состоялась, и экипаж «Союза-15» досрочно вернулся на Землю, совершив первую в мире ночную посадку. Продолжительность пребывания в космосе составила 2 дня 12 минут 11 секунд.

Выполнив космический полёт в возрасте 48 лет, Лев Дёмин в течение года являлся старейшим человеком, побывавшим на орбите (в 1975 году его превзошёл Дональд Слейтон). За это, а также за то, что он стал первым из космонавтов, у которого к моменту полёта появился внук, имел прозвище «Дед».

В 1978 году покинул отряд космонавтов, работал сотрудником научно-производственного объединения «Южморгео».

Награжден Орденом Ленина, Орденом Трудового Красного Знамени, медалью «За боевые заслуги», медалью «За освоение целинных земель», 11 юбилейными медалями, Орденом Государственного Знамени ВНР, медалью «1300 лет Болгарии», почётной медалью ВОФ.

Умер 18 декабря 1998 года.