Лев Голицын родился 24 августа 1845 года в имение Стара-Весь, Польша. Получил прекрасное домашнее воспитание, знал польский, французский и немецкий языки. Много читал, являлся участником литературных, музыкальных вечеров и балов, которые устраивал его отец. Учитывая увлеченность историей и общественными науками, отец отправил сына учиться во Францию, в Парижский университет, который окончил с ученой степенью бакалавра в 1862 году. После чего вернулся в Россию с целью продолжить учебу и нести службу.
Лев Сергеевич с 7 декабря 1864 по 1 марта 1866 года служил в Министерстве иностранных дел. Сначала являлся канцелярским чиновником при Азиатском департаменте, а затем стал коллежским регистратором. С апреля работал в Главном архиве Министерства иностранных дел.
С 1867 года Голицын являлся студентом кафедры римского права юридического факультета Московского государственного университета имени Ломоносова. Во время учебы организовывал семинары и дискуссии по различным проблемам истории права, выступал с докладами и сообщениями. Также выпустил литографические лекционные курсы профессора Никиты Ивановича Крылова. В 1869 года вышла его книга «Конспект истории римского права. I период». В 1870 году удостоен золотой медали за сочинение «О судьбах народных собраний в Риме по трибам»
После окончания учебы Лев Голицын оставлен в университете для подготовки к профессорскому званию. С 1873 по 1874 год, вместе с другом Сергеем Муромцевым, совершенствовал образование в Лейпциге и Геттингене. Во Франции стал изучать опыт приготовления виноградных вин.
В 1876 году Лев Сергеевич Голицын избран предводителем дворянства Муромского уезда Владимирской губернии, но по его личной просьбе отставлен от должности. Участвовал в археологических раскопках во Владимирской губернии под руководством графа А. С. Уварова. С 1877 года являлся член-корреспондентом Московского археологического общества, открыл ряд стоянок каменного века по берегам Оки от деревни Чулковая до Мурома
Первоначально в небольшом хозяйстве под Феодосией Голицын высадил виноград сортов Саперави и Мурведер. Произведенные из него вина нашли покупателей сначала в Крыму, а затем и в Москве. В 1878 году купил у грузинского князя Херхеулидзева урочище Парадиз площадью 230 га, находившееся в Крыму, у подножия горы Сокол, в семи километрах от Судака. Впоследствии, урочище переименовано в Новый Свет. На площади свыше 20 га заложил питомник, где культивировал до пятисот сортов винограда. Также насадил виноградники близ Феодосии, у деревни Токлук и на Кавказе в местечке Алабашлы.
⠀
В 1882 году на Всероссийской промышленно-художественной выставке Лев Голицын получил высшую награду за «сортимент хорошо выдержанных молодых белых и красных вин, характером своим подходящих к столовым винам, и в особенности за белое вино под названием «Клеретъ», до сих пор не встречавшееся в продаже, за вино из лоз шабли и красное вино из лоз лафита.
⠀
В начале 1890-х годов Лев Сергеевич первым в России наладил промышленное производство высококачественных шампанских, шипучих и других виноградных вин на построенном в Новом Свете винодельческом заводе. Для хранения большого объема продукции по его распоряжению начинается создание грандиозных по замыслу и исполнению многоярусных подвалов, большинство из которых пробиты в скальной породе гор Караул-Оба и Коба-Кая. В подвале № 4, имеющим особый статус, собрал уникальнейшую коллекцию вин более 50 тысяч экземпляров, которое выпущено в XVIII-XIX века.
⠀
С 1891 года Голицын занимал пост главного винодела Удельного ведомства. В 1894 году им начато строительство подземного винного завода туннельного типа. В это же время создал винодельческое хозяйство Абрау-Дюрсо. За шесть лет здесь построены здание завода, пять подвалов-тоннелей, проложена шоссейная дорога к Новороссийску. В 1896 году Новосветское шампанское подавалось во время коронационных торжеств с Николаем II в Москве и заслуженно получило марку «Коронационное».
В 1902 году Лев Голицын стал почетным членом, а с 1911 года являлся председателем Комитета виноградарства Императорского общества сельского хозяйства Южной России. В 1913 году в связи с ухудшением здоровья, затруднительным финансовым положением и желая сохранить уникальное хозяйство, принес в дар Николаю II часть своего имения Новый свет с землей, коллекцией вин, заводом шампанских вин и подвалами.
⠀
Князь Лев Сергеевич Голицын умер 26 декабря 1915 года в возрасте семидесяти лет в Феодосии. Похоронен в своем склепе на виноградниках в Hовом Свете. В 1920-х годах склеп разграблен и могила не сохранилась.
⠀
Собственная коллекция вин князя Голицына из Нового Света содержала иностранные вина и марки Нового Света. В 1920-е годы коллекция передана в Массандру.