Родился в Тобольске в семье служащего. Окончил медицинский факультет Томского университета, 1925. Ассистент кафедры патологической физиологии Томского университета, 1925-1927; аспирант кафедры, 1927- 1930. Старший научный сотрудник Центрального рентгенологического, радиологического и ракового института в Ленинграде, 1930-1937; заведующий экспериментальным раковым отделом института, 1937-1940; присуждена ученая степень доктора медицинских наук, 1938. Заведующий кафедрой патологической физиологии Минского медицинского института, 1940-1941; Присвоено ученое звание профессора, 1940.
Заведующий лабораторией Центрального рентгенологического, радиологического и ракового института, 1941-1945; заведующий лабораторией экспериментальной терапии рака Института онкологии АМН СССР в Москве, 1945-1951. Заведующий лабораторией экспериментальной химиотерапии опухолей Института экспериментальной и клинической онкологии АМН СССР в Москве, 1951-1973; избран членом-корреспондентом, 1952, действительным членом, 1969, АМН СССР.
Научная деятельность посвящена проблемам экспериментальной онкологии.
Над этими вопросами работал в период непродолжительной деятельности в Минском медицинском институте: организовал лабораторию экспериментальной онкологии, опубликовал ряд журнальных статей. Изучал канцерогены («О судьбе канцерогенных веществ в организме», с соавт., 1946). Ведущим направлением научных изысканий стала разработка противоопухолевых препаратов. Один из основоположников химиотерапии злокачественных опухолей. Предложил метод создания противоопухолевых препаратов («алкилирующих метаболитов») путем присоединения алкилирующей группировки к жизненно важным метаболитам или биологически активным соединениям, обеспечивающий специфичность действия этих препаратов.
Опубликовал монографию «Биологические и химические способы лечения рака», 1948. Предложил применение эмбихина и новэмбихина, которые на протяжении многих лет были наиболее эффективными препаратами при лечении лимфогранулематоза. Опубликовал монографию «Лечение белокровия и лимфогранулематоза эмбихином», 1951. Создал получившие всемирное признание препараты; сарколизин, допан, асалин, фенатерин и др. Инициатор создания химиотерапевтических отделений в онкологических институтах и диспансерах. Автор фундаментального монографического исследования «Химиотерапия злокачественных опухолей», 1962, получившего высокую оценку ученых-онкологов и переведенного на ряд иностранных языков.
Предложил адаптационно-трофическую теорию возникновения опухолей, согласно которой малигнизация происходит в результате адаптации клеток к длительному нарушению их питания и иннервации, наблюдающемуся при предраковых процессах. Опубликовал монографию «Предрак как патологический процесс», 1959.
Автор более 200 научных работ, в т.ч.5 монографий. Подготовил 8 докторов и 40 кандидатов медицинских наук. Участник отечественных и международных научных форумов.
Председатель проблемной комиссии по лекарственной терапии опухолей научного совета по злокачественным новообразованиям при президиуме АМН СССР; консультант ЮНЕСКО по программе «Биология клетки и радиобиология»; эксперт по химиотерапии Международного противоракового союза; член редакционных коллегий ряда отечественных и зарубежных журналов; член Королевского медицинского общества (Великобритания), 1958; член- корреспондент Американской ассоциации по изучению рака, 1960.
Умер и похоронен в Москве.
- Леонид Федорович Ларионов: (К 70-летию со дня рождения) //Вопр. онкологии. - 1972. - Т. 18, № 10. - С. 117.
- Софьина 3. П. Ларионов Леонид Федорович //Вопр. онкологии. -1973. — Т. 19. — № 5. - С. 124.
- Пресное М. Ларионов Леонид Федорович, советский онколог-химиотерапевт //БМЭ. - 2-е изд. - М., I960. - Т. 15. - С. 259; 3-е изд. - М., 1980. - Т. 12. - С. 343-344.
Выполнил докторскую диссертацию «Рак и эндокринная система», 1938.
Награжден
- орденом, медалями;
- За работы по химиотерапии рака и внедрению в практику здравоохранения химиотерапевтических препаратов удостоен Государственной премии СССР, 1951.