Lionel Barrymore is de oudste van drie kinderen, Ethel Barrymore was zijn zus, John Barrymore zijn broer. Er waren verschillende MGM-films waar hij samen met zijn broer John in te zien was (Grand Hotel en Arsene Lupin uit 1932 maar ook Dinner at Eight uit 1933) alhoewel ze geen scènes samen hadden. De drie waren één keer samen te zien in dezelfde film: Rasputin and the Empress (1932).

Lionel studeerde aan de Gilmore School in Londen, de St. Vincent’s Academy in New York, de Seton Hall University in New Jersey en de Art Students League in New York en acteerde in vergelijking met zijn broer en zus vrij weinig op de toneelplanken. Hij maakte als kind al zijn acteerdebuut in een project van zijn ouders Herbert Blythe en Maurice Barrymore, in 1900 was hij een begrip op Broadway waar hij regelmatig speelde samen met zijn nonkel John Drew. In 1909 maakte hij de overstap naar Hollywood waar hij aanvankelijk terechtkwam bij de Biograph Studio.
Op 19 juni 1904 trouwde hij in de St. Xavier Catholic Church in New York met actrice Doris Rankin, de zus van zijn nonkel. Het paar kreeg twee kinderen, Ethel (°1909, +1910) en Mary (°1916, +1917). Op 21 december 1922 scheidden ze in New York.

In 1903 trok hij naar Parijs maar keerde in 1907 terug naar de Verenigde Staten om er te acteren en in 1911 zijn regiedebuut te maken. Zijn eerste filmrollen waren die in kortfilms van D.W. Griffith met The Battle (1911) als eerste. Hij schreef ook verschillende filmscenario’s voor Griffith, inbegrepen dat van The Tender-Hearted Boy (1913).

Lionel Barrymore stond ook in voor de regie van de eerste geluidsfilm van zijn collega-acteur John Gilbert, His Glorious Night, door velen gezien als één van de slechtste debuten in een ‘sprekende film’.
Ondanks zijn Oscar-nominatie voor Madame X (regie) in 1930 waren velen er van overtuigd dat hij niet de beste keuze was om met de megafoon in de hand de cast bij te sturen en te begeleiden en kon hij volgens hen maar beter zijn talenten als acteur uitspelen. Sommigen stellen zelfs dat Madame X thuishoort in het lijstje van slechtste films ooit gemaakt (?!). Vanaf halfweg de jaren ‘20 werkte Barrymore voornamelijk voor MGM, begin de jaren '30 werd hij een bekend gezicht bij de studio.

Voor zijn rol van een alcoholverslaafde advocaat in A Free Soul, gebaseerd op de memoires van reporter Adela Rogers St. John, kreeg hij een Academy Award/Oscar.

Op 16 juli 1923 trouwde Barrymore voor een tweede keer, dan met de gescheiden actrice Irene Fenwick. Dertien jaar later werd hij weduwnaar toen zijn vrouw op kerstavond overleed aan anorexia nervosa, ze was pas 49 en had eerder al een relatie met Lionels broer John.

In 1933 was Lionel Barrymore te zien als een stervende aristocraat in Dinner at Eight, één van de beste vertolkingen uit zijn carrière alhoewel we natuurlijk It’s a Wonderful Life (1946) niet mogen vergeten.

In 1937 vertolkte Lionel Barrymore eenmalig de rol van rechter Hardy in A Family Affair (1937). De film leidde tot een reeks films rond Andy Hardy maar zijn rol werd na die ene keer overgenomen door Lewis Stone.

Maar dan sloeg het noodlot toe voor Barrymore. Een ernstig beenletsel, gecombineerd met een zware vorm van artritis, naar verluidt het gevolg van een (dubbele) heupbreuk, zorgden er voor dat hij de laatste vijftien jaar van zijn leven in een rolstoel doorbracht. Maar het belette hem niet om te doen wat hij zo graag deed en waar hij ook goed in was: acteren. Hij was niet voor niets een favorietje van MGM-baas Louis B. Mayer, die deed er alles aan om de mindervalide acteur aan boord te houden. Geen toeval dus dat hij in maar liefst 15 films van MGM (!) de rol vertolkte van dokter Gillespie, een aan zijn rolstoel gekluisterde chirurg die de jonge dokter Kildare steeds van advies voorzag.

Lionel Barrymore overleed op 76-jarige leeftijd in het Valley Hospital, Van Nuys California, aan de gevolgen van een hartaanval. Hij werd begraven in Block 352 van het Main Mausoleum van het Calvary Cemetery in Los Angeles. In zijn testament stond maar één begunstigde, de vrouw die zich over hem had ontfermd vanaf het moment dat hij een respectabele leeftijd had bereikt.

In 1951 werd zijn autobiografie, eigenlijk meer een familie-biografie, uitgebracht onder de titel We Barrymores. Lionel Barrymore heeft ook één roman geschreven, getiteld Mr. Cantonwine, a Moral Tale. Het symfonisch gedicht In Memoriam, opgedragen aan zijn broer John, werd in 1942 gespeeld door het Philadelphia Symphony Orchestra. Barrymore schreef ook één symfonie die in verschillende concerthallen werd gespeeld.