Родился 6 июля 1883 г. в Москве в семье инженера. В 1901 г. Каменев поступил на юридический факультет Московского университета. За участие в студенческой демонстрации был исключён и выслан в Тифлис (1902 г.), затем уехал в Париж.
После возвращения в Россию (1903 г.) вёл революционную работу в Москве и Тифлисе, вошёл в ЦК РСДРП. В 1908 г. был арестован, но вскоре освобождён и эмигрировал в Швейцарию. Жил в Женеве, участвовал в конгрессах 2-го Интернационала, читал лекции в партийной школе Лонжюмо под Парижем.
В 1914 г. Каменев прибыл в Петербург для руководства большевистской фракцией 4-й Государственной думы, был арестован и сослан в Сибирь. Вернувшись после Февральской революции в Петроград, стал представителем большевиков в Исполкоме Петроградского совета.
В октябре 1917 г., считая авантюрным требование В. И. Ленина свергнуть Временное правительство, Каменев и Г. Е. Зиновьев выступили против вооружённого восстания и обратились к партийным комитетам с закрытым письмом, информация о котором попала в газеты. Ленин расценил это как предательство и потребовал исключения обоих недавних соратников из партии, но его не поддержали.
В 1918 г. Каменев стал членом Президиума ВЦИК и председателем Моссовета. В 1922 г. он занял посты заместителя председателя Совнаркома и председателя Совета труда и обороны.
Опасаясь усиления Л. Д. Троцкого, именно Каменев предложил назначить И. В. Сталина генеральным секретарём ЦК партии. В 1922— 1925 гг. Зиновьев, Каменев и Сталин считались вождями партии.
На XIV съезде ВКП(б) в 1925 г. Каменев перешел в оппозицию Сталину и вскоре был выведен из состава Политбюро и назначен послом в Италии.
В 1927—1934 гг. его то исключали, то восстанавливали в партии. В 1934 г. Каменев был арестован по делу «Московского центра» и приговорён к пяти годам тюрьмы. На следующий год ему присудили десять лет по делу «Кремлёвской библиотеки и комендатуры Кремля».
В 1936 г. на процессе «троцкистско-зиновьевского объединённого центра» Каменева обвинили в терроризме, вредительстве и шпионаже. Его расстреляли 25 августа 1936 г.
Все родственники Каменева были репрессированы.
Реабилитирован в 1988 г.