10 (23) июля 1915 года в Луганске в семье еврейского происхождения появился на свет Лев Моисеевич Матусовский. Его отец, Лев Моисеевич, работал фотографом, а мать, Эсфирь Михайловна (девичья фамилия Брукман), занималась домашним хозяйством. После окончания Тринадцатой средней трудовой школы в родном городе поэт посвятил стихотворение своей первой учительнице Марии Семёновне Тодоровой. Это произведение, известное как «Школьный вальс», позже стало популярной песней. Первое стихотворение Матусовского, «Велопробег», было опубликовано в областной газете «Луганская правда», когда ему было всего 12 лет.
После того, как он закончил строительный техникум в Луганске, Лев начал трудиться на заводе и параллельно публиковал свои стихи в местных изданиях.
В 1933-1934 годах Матусовский учился в Донецком институте народного образования, но вскоре решил покинуть его и отправился в Москву. В 1939 году он стал студентом Московского института философии, литературы и истории имени Н. Г. Чернышевского (МИФЛИ), где слушал лекции таких известных преподавателей, как Н. К. Гудзий, Г. Н. Поспелов и другие. В том же году поэт вступил в Союз писателей СССР.
После завершения обучения в МИФЛИ Матусовский продолжил учебу в аспирантуре на кафедре древнерусской литературы. Под руководством Н. К. Гудзия он работал над кандидатской диссертацией, посвященной поэтическому стилю древнерусских воинских повестей, написанных в период татарского нашествия на Русь. Однако защита, назначенная на 27 июня 1941 года, не состоялась из-за начала Великой Отечественной войны: поэт ушел на фронт, получив удостоверение военного корреспондента. Профессор Гудзий настоял на том, чтобы диссертация была защищена без его присутствия. Вскоре Матусовский, находясь на фронте, получил телеграмму о присвоении ему ученой степени кандидата филологических наук.
Во время войны он служил военным корреспондентом и публиковал свои стихотворные фельетоны и частушки в газетах Западного, Северо-Западного и Второго Белорусского фронтов. Его первая песня «Вернулся я на родину», написанная в сотрудничестве с композитором М. Г. Фрадкиным, прозвучала сразу после завершения войны. С 1945 года он был членом ВКП(б).
В годы войны увидели свет его сборники стихов, среди которых «Фронт» (1942) и «Когда шумит Ильмень-озеро» (1944). В послевоенное время поэт продолжал публиковать свои произведения, среди которых «Слушая Москву» (1948), «Улица мира» (1951), «Всё, что мне дорого» (1957), «Стихи остаются в строю» (1958), «Подмосковные вечера» (1960), «Как поживаешь, Земля» (1963), «Не забывай» (1964), «Тень человека» (1968), «Это было недавно, это было давно» (1970), «Суть: стихи и поэмы» (1979) и «Избранные произведения в двух томах» (1982). В 1977-1978 годах он написал автобиографическую повесть «Семейный альбом», которая была опубликована в 1983 году.
Лев Матусовский скончался 6 июля 1990 года, не дожив до своего 75-летия. Его похоронили на Кунцевском кладбище, рядом с могилой дочери Лены.