Родился 7 июля 1884 г. в Мюнхене в семье фабриканта Зигмунда (Арона-Меера) Фейхтвангера (1854—1916), унаследовавшего маргариновое производство от своего отца Элькана Фейхтвангера (1823—1902), уроженца Фюрта, сына Зелигмана Фейхтвангера и Фейгеле (Фанни) Вассерман. Мать — Йоханна Боденхаймер (1864—1926). Родители поженились в 1883 году и Лион был старшим из девяти детей. Получил солидное образование в университете родного города Мюнхена (здесь он изучал литературу и философию), а затем Берлина, где изучал германскую филологию, философию, а также санскрит.

Занимался журналистикой и театром, рано проявил интерес к античности. Под влиянием семейных традиций заинтересовался еврейской историей, определившей тематику ряда его произведений. В 1908 году начал издавать литературный журнал "Зеркало", который вынужден был вскоре закрыть из-за финансовых проблем. В 1912—1914 путешествовал. Отбывал во время Первой мировой войны службу в германской армии, был демобилизован по состоянию здоровья. В 1918 году Фейхтвангер открыл талант молодого Бертольта Брехта, с которым его связала многолетняя дружба. В момент прихода Гитлера к власти Фейхтвангер находился за границей. Друзья убедили его повременить с возвращением в Германию. Фейхтвангер попал в число тех, чьи книги подлежали сожжению, а 25 августа 1933 года был лишен немецкого гражданства. Его имущество было конфисковано.

В 1940 году, во время оккупации Германией Франции, писатель был интернирован во французский концентрационный лагерь в местечке Ле Милль.Воспоминания о свой лагерной жизни,полной всяческих унижений, невзгод,были отображены им в книге "Черт во Франции".Лагерникам ,среди которых было так много противников гитлеровского режима,грозила опасность попасть в руки фашистов,и тогда было решено перевести интернированных в другой лагерь,в Ним.Бежав оттуда и, получив с большим трудом необходимые документы,Фейхтвангер вместе с женой перебраться в США. С ноября 1943 года он жил на вилле Аврора в Калифорнии, где благодаря поступлениям от фильмов по его произведениям собрал библиотеку, состоящую из 20000 томов.

В годы Второй мировой войны Фейхтвангер создал лучшие свои произведения, в которых разоблачались фашизм и его идеология.

За выдающиеся заслуги как художника и защитника идей мира и прогресса Лион Фейхтвангер был отмечен Государственной премией ГДР в области искусства и литературы, присуждённой ему в 1953 году.

Писатель умер в 1958 году от рака почек.

В настоящее время вилла Аврора, где писатель провел свои последние годы, является творческой резиденцией для немецких писателей, художников и композиторов.