Issu d'une famille de comédiens professionnels "vivant aux antipodes de toute modestie" selon sa propre expression. Il monte sur les planches dès l'âge de 6 ans aux côtés de ses parents.

Le 19 juin 1904, il se marie avec Doris Rankin (1880-1946) jusqu'en mars 1923. Ils eurent 2 enfants.

Il rêve de gagner sa vie comme peintre et part étudier les arts à Paris. Mais à son retour à New York en 1908, il se consacre au théâtre. David Wark Griffith le fait débuter à la Biograph à partir de 1911.

Il devient le partenaire de Mary Pickford et de Lillian Gish pour d'innombrables courts-métrages dans lesquels il s'amuse souvent à jouer plusieurs rôles. Il écrit aussi des scénarios puis il joue avec Pearl White dans les fameux "MYSTÈRES DE NEW YORK".

Il s'essaie pour la première fois à la réalisation en 1917 avec "LITE'S WHIRLPOOL" dont sa sœur Ethel est la vedette.

En 1925, il est pris sous contrat par la MGM alors naissante et ne quittera pratiquement plus la firme, affirmant à qui veut l'entendre qu'il est "le cadet du lion de la MGM".

Il est considéré comme le plus brillant du "Clan Barrymore" : acteur, scénariste, réalisateur, musicien à l'occasion, écrivain ou peintre. Il composera durant sa carrière une étonnante galerie de personnages : un général russe aux côtés de Greta Garbo dans "MATA-HARI" (1931), le mondain cardiaque de "GRAND HÔTEL" (1932) avec son frère John, le professeur vampirologue de "LA MARQUE DU VAMPIRE" (1935), il incarne Raspoutine dans "RASPOUTINE ET SA COUR" ou encore le capitaine Nemo dans "L'ILE MYSTÉRIEUSE".

Au milieu des années 30, sa santé se dégrade : il souffre d'arthrite et se fracture le bassin par deux fois. Les séquelles de ses chûtes le condamneront à jamais à se déplacer dans un fauteuil roulant.

A partir de 1938, il n'apparaît plus que dans des rôles de paralytiques. Il continue à peindre avec toujours autant de passion mais la maladie gagne ses membres supérieurs et se résignera à abandonner son art.

Au cours de sa vie, Lionel a travaillé à plusieurs reprises avec James Stewart, ils devinrent amis dès leur première collaboration en 1938 sur le tournage de "VOUS NE L'EMPORTEREZ PAS AVEC VOUS" de Frank Capra. Ils se retrouveront sur le tournage de "LA VIE EST BELLE" de Frank Capra en 1946 où il joue son ennemi.

Il disparaîtra le 15 novembre 1954 d'un arrêt cardiaque à Los Angeles en Californie.

Il fut honoré par un Oscar en 1931 pour sa composition d'un brillant avocat d'assises dont la carrière est compromise par l'alcoolisme.

Il est incinéré au cimetière du calvaire à Los Angeles au numéro 352 aux côtés d'Irene Fenwick et de son frère John.

Son Étoile se trouve au Walk of Fame au numéro 1724 sur Vine Street.