Kornilov se narodil v Usť-Kamenogorsku v Ruském Turkestánu (dnes Kazachstán) kozáckému otci a kazašské matce. V letech 1889-1892 navštěvoval dělostřeleckou školu v Petrohradě, poté sloužil dočasně v Turkestánu. V rozmezí let 1895-1897 vystudoval Akademii generálního štábu s vyznamenáním. Po akademii byl přidělen ke generálnímu štábu Turkestánského okruhu. V letech 1899-1904 vedl několik expedic do Východního Turkestánu, Afghánistánu, Persie, Indie a Mongolska. Zde se naučil několika středoasijským jazykům. Za Rusko-japonské války sloužil v generálním štábu jedné zúčastněné brigády. V bojích se osvědčil, byl mu udělen Kříž sv. Jiří a zároveň povýšil na plukovníka. V období 1907-1911 zastával post vojenského atašé v Číně.

Po vypuknutí 1. světové války velel už jako generálmajor pěší divizi 8. armády generála Brusilova a při těžkých bojích byl v dubnu 1915 zajat rakouskou armádou. V červenci 1916 se mu však podařilo uniknout a vrátit se zpět za frontovou linii. Po svrhnutí cara v únoru 1917 byl pověřen velením nad Petrohradským vojenským okruhem. Z výkonu svojí funkce dal 21. března zatknout carskou rodinu v Carském Selu. V dubnu, po nepokojích v hlavním městě, požádal vládu o povolení nasadit armádu. Poté, co to vláda odmítla, se vzdal svého postu a vrátil se na frontu. V červenci byl ministrem války Kerenským povýšen nejprve na velitele Jihozápadního frontu a následně byl jmenován vrchním velitelem všech ruských jednotek.

Přestože byl kritikem cara, považoval za nutné, aby Rusko jako součást Trojdohody pokračovalo ve válce. Snažil se zvýšit bojeschopnost armády a taky bojovat proti levicovým silám, především bolševikům. Podle Kornilova by sověty měly být potlačeny, vojenská disciplína obnovena a prozatímní vláda reorganizována. Prohlásil, že Kerenskij ho pověřil úkolem obnovit pořádek v Petrohradě a reorganizovat vládu. Přikázal 3. sboru v Petrohradě zavést ve městě stanné právo. Kerenskij v tom viděl pokus o puč, a proto uvolnil Kornilova 9. září z postu vrchního velitele ruské armády. Kornilov si (údajně) myslel, že Kerenskij padl do zajetí bolševiků a jedná z donucení. Rozhodl se tedy, že neuposlechne. Po zhroucení puče a věrných jednotek byl Kornilov zatčen a uvězněn ve věznici Bichov.

19. listopadu, několik týdnů po proklamaci Petrohradského sovětu o získání moci, se mu podařilo uprchnout z věznice a dostat se k Donu, ovládaného Donskými kozáky. Zde se spojil s generálem Michailem Alexejevem a stal se velitelem protibolševické Dobrovolnické armády. Za jeho vedení docházelo k různým krvavým činům. Sám Kornilov prohlásil že „čím větší teror, tím větší naše vítězství“ a „je potřeba zapálit půlku země a prolít krev 3/4 všech Rusů“. Například jen ve vesnici Ležanka bylo Kornilovovými muži zabito přes 500 lidí. 24. února 1918 po pádu kozácké metropole Novočerkassku vedl Kornilov své muže tzv. Ledovým pochodem do prázdných Kubáňských stepí. Přestože byl ve značné početní nevýhodě, podařilo se mu zbavit se pronásledujících rudoarmějců a oblehnout Jekatěrinodar, hlavní město Kubáňské sovětské republiky. 13. dubna však jeden z dělostřeleckých granátů zasáhl Kornilovovo velitelství a generála zabil. Byl pohřben v nedaleké vesničce. O několik dní později, když rudoarmějci dobyli tuto vesničku, bylo Kornilovovo tělo vykopáno, vyndáno z rakve a spáleno na místní skládce.