Лев Степанович Демин родился 11 января 1926 года в Москве.
Трудовую деятельность начал на заводе буровых машин токарем в 1942 году. В 1945 году закончил спецшколу ВВС и поступил в Борисоглебское летное училище. По состоянию здоровья был отчислен из училища и направлен в военное авиационное техническое училище. Досрочно закончил училище, проходил службу в частях Советской Армии.
В 1951 году поступил, а в 1956 году закончил Военно-воздушную инженерную академию имени Н.Е.Жуковского. Как один из самых способных слушателей был оставлен в академии. Потом работал в НИИ ВВС. В 1963 году зачислен в отряд советских космонавтов (1963 Группа ВВС № 2). Прошел полный курс общекосмической подготовки и подготовки к полетам на кораблях типа "Восход" и "Союз". Был включен в состав дублирующего экипажа космического корабля "Восход-3", полет которого был отменен.
В 70-е годы готовился к полетам на борт военной орбитальной станции типа "Алмаз". В июле 1974 года входил в состав дублирующего экипажа при полете космического корабля "Союз-14".
С 26 по 28 августа 1974 года вместе с Геннадием Васильевичем САРАФАНОВЫМ совершил полет в космос в качестве бортинженера космического корабля "Союз-15". Программа полета предусматривала работу на борту орбитальной станции "Салют-3", однако из-за нештатного режима работы системы сближения стыковку корабля со станцией осуществить не удалось и полет был досрочно прекращен. Продолжительность пребывания в космосе составила 2 дня 12 минут 11 секунд.
После ухода в 1978 году из отряда космонавтов работал сотрудником научно-производственного объединения "Южморгео". Кандидат технических наук (1963 г.). Являлся председателем Всесоюзного общества филателистов. Умер 18 декабря 1998 года.
Герой Советского Союза (Указ Президиума Верховного Совета СССР от 2 сентября 1974 года). Награжден орденом Ленина, орденом Трудового Красного Знамени, медалями, иностранными орденами и медалями. Почетный гражданин городов Магадан, Калуга, Гагарин, Тамбов (Россия), Целиноград (Казахстан).