Окончив с отличием училище связи, Лев Степанович Демин готовил себя к поступлению в ВВИА. После окончания радиотехнического факультета он продолжил службу инженером на кафедре реактивного управляемого вооружения академии, а в 1961 г. Л. С. Демин окончил адъюнктуру академии и был назначен в ЦНИИ ВВС. Защитив в ВВИА им. проф. Н. Е. Жуковского диссертацию, получил степень кандидата технических наук.

В 1963 г. Л. С. Демина зачисляют слушателем-космонавтом ЦПК ВВС. После завершения ОКП его назначили космонавтом в отряд военных космических программ и старшим группы космонавтов-инженеров. На протяжении ряда лет Л. С. Демин непрерывно совершенствовал свои профессиональные навыки, неоднократно готовился к полетам в составе дублирующих экипажей.

С июля 1974 г. он проходил подготовку в качестве бортинженера основного экипажа по программе 2-й экспедиции ОПС-101-2 «Алмаз» («Салют-3»).

Полет в космос совершил в качестве бортинженера КК «Союз-15» с 26 по 28 августа 1974 г. совместно с Г. В. Сарафановым. Стыковка со станцией не состоялась из-за отказа системы управления сближающее-корректирующей двигательной установки корабля. Впервые посадка корабля была проведена в ночных условиях. Продолжительность полета – 2 суток 00 часов 12 минут 11 секунд.

В последующем до увольнения из Вооруженных Сил Л. С. Демин проходил службу на командных должностях в ЦПК. Был инструктором парашютно-десантной подготовки, выполнил более 100 прыжков с парашютом, имел общий налет с инструктором на различных типах самолетов более 600 часов.

Награжден орденами Ленина, Трудового Красного Знамени, медалями «За боевые заслуги», «За освоение целинных земель» и 11 медалями СССР, а также орденами и медалями ряда зарубежных государств.

Л. С. Демин — почетный гражданин городов Тамбов, Гагарин, Калуга, Магадан, Целиноград. Его имя присвоено Тамбовскому военному лицею при Тамбовском высшем авиационном инженерном институте.