Родился в Усть-Каменогорске в семье отставного казачьего офицера. Окончил Сибирский кадетский корпус в Омске, Михайловское артиллерийское училище (1892) и Николаевскую академию Генерального штаба (1898). Во время службы в Туркестанском военном округе совершил несколько исследовательских и разведывательных экспедиций в Восточном Туркестане, Афганистане и Персии. Участник Русско-японской и Первой мировой войн. Весной 1915 г., командуя 48-й дивизией в Карпатах, попал в плен, бежал.

В марте 1917 г. назначен главнокомандующим войсками Петроградского военного округа. По приказу Временного правительства объявил об аресте императрице Александре Фёдоровне и ее семье в Царском Селе. В конце апреля 1917 г. назначен командующим 8-й армией. В июне произведен в генералы от инфантерии. В июле главнокомандующий войсками Юго-Западного фронта. Инициатор восстановления смертной казни на фронте 12 июля 1917 г. С 19 июля по 27 августа 1917 г. Верховный главнокомандующий. Предъявил Временному правительству требования, известные как «Корниловская военная программа».

В конце августа 1917 г. попытался организовать переворот, чтобы разогнать   советы   и   ввести  военную   диктатуру   для

успешного завершения войны («Корниловский мятеж»). Направил      на      Петроград    3-й      кавалерийский     корпус   генерала А. М. Крымова и Кавказскую туземную конную дивизию. Действовал исходя из прежних договоренностей с А. Ф. Керенским, который вскоре переменил позицию и объявил Корнилова мятежником. Корнилова сняли с должностей и арестовали.

С сентября по ноябрь 1917 г. генерал и его сподвижники находились под арестом в Могилеве и Быхове. После падения Временного правительства перебрались на Дон, где приступили к формированию Добровольческой армии для борьбы с большевиками. Корнилов – первый главнокомандующий Добровольческой армии. С декабря 1917 г. член Донского гражданского совета.

В феврале 1918 г. повел Добровольческую армию в Первый Кубанский (Ледяной) поход для соединения с кубанскими белыми отрядами. Погиб при штурме Екатеринодара 13 апреля 1918 г. Гроб с телом Корнилова был захоронен в немецкой колонии Гначбау, где временно остановилась отступавшая армия. На следующий день большевики, занявшие селение, отрыли могилу, отвезли тело генерала в Екатеринодар и сожгли.