Narodil se v Petrohradě 15. srpna 1896 jako prvorozený ve šlechtické pravoslavné rodině s francouzskými kořeny hugenotů (původně se předkové psali „Theremin“). Otec byl známý právník. Lev Sergejevič Těrmen dostal takovou výchovu, jaká byla v těchto kruzích obvyklá – dostával lekce hry na violoncello, doma měl k dispozici vybavenou fyzikální laboratoř a rovněž domácí hvězdárnu. Za absolvování střední školy v Petrohradě obdržel stříbrnou medaili (1914). Na Petrohradské konzervatoři promoval ve hře na violoncello (1916). Současně studoval na univerzitě fyziku a matematiku. V roce 1916 byl odveden do armády, kde absolvoval důstojnický elektrotechnický kurz. Sloužil potom na vysílačce Carskoje Selo, poblíž Petrohradu, která měla nejvyšší výkon v celé říši. Po říjnové revoluci pracoval dál na stejném místě až do roku 1920. Pak studoval na Petrohradském polytechnickém institutu, který úspěšně absolvoval v roce 1926.
V roce 1919 se Lev Těrmen stal vedoucím laboratoře Fyzikálně-technického ústavu v Petrohradě. Zkonstruoval hudební nástroj, který nazval etherphone, později nazývaný „theremin“ nebo „termenvox“, na který se hraje, niž by se ho hudebník dotýkal. Ve 20. letech Těrmen svůj nástroj předváděl v Sovětském svazu a dalších evropských zemích.
V březnu 1922 proběhla v Kremlu za účasti Lenina předváděcí výstava Těreminových vynálezů, včetně poplachového zařízení. Těrmen Leninovi také vysvětlil princip činnosti „Thereminu“ a Lenin se na tomto pozoruhodném hudebním nástroji pokusil o zahrání Glinkovy romance „Skřivánek“. Těrmen také v letech 1925 – 1926 vynalezl jeden z prvních televizních systémů – tzv. „vzdálenou vizi“. V roce 1927 měl Těrmen velký úspěch na mezinárodní hudební výstavě ve Frankfurtu a dostal množství pozvánek do velkých evropských měst, aby i tam předvedl svou úžasnou „hudbu sfér“.
V roce 1928 se Těrmen, stále občan Sovětského svazu, zřejmě na příkaz sovětské tajné služby NKVD, přestěhoval do USA. Po příjezdu si dal svůj nástroj patentovat jako „theremin“ a prodal licenci na výrobu jeho zjednodušené verze. Rovněž získal patent na svůj poplašný systém a vyvinul poplachové systémy pro věznice Sing-Sing a Alcatraz v rámci společnosti „Teletouch Inc.“, kde byl v letech 1931 – 1938 ředitelem. V New Yorku si posléze na dobu 99 let pronajal šestipodlažní budovu pro hudební a taneční studio. Tím vznikly podmínky pro vytvoření obchodní mise Sovětského svazu v USA a sovětská výzvědná služba tam také získala „střechu nad hlavou“. Ostatně, Sovětský svaz měl během druhé světové války ve Spojených státech, tj. v zemi svého spojence, více špionů než v nepřátelském nacistickém Německu. McCarthy v 50. letech tedy vůbec nepřeháněl, když vyslovil obavy z komunistické infiltrace USA, kterou pak jeho výbor vyšetřoval.
V polovině 30. let se Těrmen rozvedl s manželkou Jekatěrinou Konstantinovou a vzal si za ženu Lavinii Williamsovou (1916 – 1989), tanečnici prvního černošského baletu. V roce 1938 byl odvolán do Moskvy a tajně opustil USA, dokonce snad z nich byl přímo unesen. Chtěl, aby Lavinie odjela s ním, ale bylo mu řečeno, že za ním přijede později. Když pro něho přišli, Lavinia byla náhodou doma a měla dojem, že její manžel byl odveden násilím. Nikdy už ho potom neviděla.
V roce 1947 Lavinia navštívila Claru Rockmorovou, americkou houslistku a virtuózku hraní na „theremin“ a celá šťastná se od ní dozvěděla, že její muž žije. Za nějakou dobu si začali psát a Těrmen ji dokonce znovu požádal o ruku. Většinu posledních let Lavinia strávila v New Yorku, ale v únoru 1984 se odstěhovala na Haiti. Noviny „The New York Times“ uvedly, že zemřela v tamním hlavním městě na infarkt, ačkoli několik dalších zdrojů, včetně Beryl Campbell, uvádí jako příčinu jejího úmrtí otravu jídlem neznámého původu.
V Sovětském svazu, ani v Leningradě, ani v Moskvě nemohl Těrmen sehnat práci. V březnu 1939 byl v SSSR zatčen a obviněn z toho, že se jako člen fašistické organizace podílel na přípravě atentátu na Kirova.
Podle obvinění, které bylo proti Těrmenovi vzneseno, měli astronomové připravit instalaci Foucaultova kyvadla a jakmile by se k němu Kirov přiblížil, Těrmen měl vyslat z USA radiový signál a připravenou náloží vyhodit kyvadlo do vzduchu a Kirova tak zabít. I když po technické stránce jde o zcela absurdní obvinění, Těrmen byl odsouzen na osm let do vězení a poslán do gulagu na Kolymě. Ze začátku pracoval jako předák pracovního týmu a pak byl převeden na výzkumné pracoviště leteckého konstruktéra Tupoleva (zvané Tupolev šaraga), kde Tupolevovým asistentem byl budoucí kosmický konstruktér Koroljov. Těrmen a jeho kolegové byli sice v gulagu pod dozorem NKVD, ale jídlo a zacházení s nimi bylo o trochu lepší, než bylo v gulazích standardem pro obyčejné vězně.
Dalším Těrmenovým vynálezem bylo odposlouchávací zařízení Buran, tajně nainstalované na velvyslanectví USA v Moskvě. Za jeho vývoj Těrmenovi sovětská vláda jako jedinému odsouzenému vězni udělila roku 1947 Stalinovu cenu prvního stupně. Vzhledem k tomu, že laureát byl v té době stále ještě vězněm a jeho práce podléhala utajení, tato informace nebyla zveřejněna. Vylepšené Těrmenovo zařízení, tzv. endovibrátor, bylo zamaskováno jako obraz pečetě USA a darováno americkému velvyslanci v Moskvě. Američané toto odposlouchávací zařízení objevili až v roce 1952 a předložili ho OSN jako důkaz špionážní činnosti SSSR.
V roce 1947 byl Těrmen rehabilitován, ale nadále pracoval v konstrukčních kancelářích v systému NKVD na vývoji odposlechových systémů. V jeho třetím manželství, a to s Marijou Gušinovou, se mu narodily dvě dcery, zatímco jeho dvě předchozí manželství zůstala bezdětná.
Zprávy o jeho dalším životě se rozcházejí. Podle některých údajů roku 1946 požádal o penzi a pracoval jako mechanik v laboratoři akustiky. Podle jiných působil na více místech. V roce 1991, ve věku 95 let, několik měsíců před rozpadem SSSR, Těrmen požádal o přijetí do komunistické strany. Své rozhodnutí vysvětlil tím, že to kdysi slíbil Leninovi a snažil se slib splnit, dokud strana ještě existuje.
Až do své smrti byl Těrmen plný energie a optimismu. Dokonce žertoval, že je nesmrtelný. Na důkaz toho navrhl, aby se jeho příjmení (v ruštině) četlo pozpátku: Термен — не мрёт.
Ani on ale smrti neunikl. Zemřel 3. listopadu 1993. Jak noviny později uvedly: „Ve věku devadesáti sedmi let odešel Těrmen k těm, kteří vytvářeli obraz doby – ale za rakví nešel nikdo kromě dcer s rodinami a několik mužů nesoucích rakev…“
V roce 2005 uvedlo Dejvické divadlo hru Petra Zelenky „Teremin“ inspirovanou Těrmenovým pobytem ve Spojených státech. V hlavní roli exceloval Ivan Trojan, který se naučil ovládat i vynálezcův pozoruhodný hudební nástroj. Jinak můžeme zaslechnout jeho podmanivých zvuk např. ve znělce k seriálům Vraždy v Midsommeru nebo Akta X.
