Алексей Еремеев родился в Санкт-Петербурге, в семье казачьего офицера, хорунжего, Ивана Адриановича Еремеева, выходца из старообрядцев, героя Русско-японской войны, впоследствии унаследовавшего семейное дело — торговлю лесом и дровами. Мать Алеши — Александра Сергеевна — также происходила из купеческой семьи, однако, совершенно иной по духу. Семейная жизнь не задалась с самого начала. Веселая, открытая, наивная Шурочка и скрытный, мрачный, гордый Иван Адрианович — эти качества мешали понять друг друга. В семье было трое детей — Алёша, Вася и Ляля.
Во время Первой мировой войны родители Алёши расстались, Иван Адрианович уехал на лесозаготовки во Владимир и умер там в 1916 году; Александра Сергеевна осталась одна с тремя детьми, зарабатывая на жизнь уроками музыки.
В том же 1916 году Алексей поступает во 2-е Петроградское реальное училище, однако разворачивающиеся революционные события в 1917 году помешали нормальной учебе, втянув большинство детей в обсуждение политики и дальнейшего развития страны. В октябре 1917 Алёша тяжело заболел и пролежал в бреду всю Октябрьскую революцию.
В 1918 году семья решает уехать в Ярославскую губернию, село Чельцово, спасаясь от голода в Петрограде. Там, на фоне разворачивающейся Гражданской войны, Лёша заболел дифтеритом и они с матерью уехали в Ярославль, к врачу. В Ярославле в это же время начинается Ярославское восстание. Гостиницу «Европа», в которой они остановились, непрерывно обстреливали, несколько раз Алёша сталкивался с белогвардейцами, что оставило очень неприятный след в его душе, так как его два раза принимали за шпиона. Через несколько дней Алёша с матерью бежали из Ярославля обратно в Чельцово. После подавления восстания они опять вернулись в Ярославль, где выяснилось, что Лёша полностью здоров.
За лето 1918 Александра Сергеевна несколько раз ездила в Петроград за вещами детям, в том числе привозила для Лёши книги, так началось его увлечение литературой.
В конце лета в Чельцово приехала бежавшая из Петрограда от голода Лёшина тетка с дочерью Ирой. Но к тому времени в деревне уже тоже начал ощущаться голод.
Осенью Александра Сергеевна нашла работу в маленьком татарском городке на реке Каме, и вся семья переезжает туда.
В начале 1919 года мать Алёши уехала в Петроград. Вся семья переболела тифом и дизентерией, Лёша попадает в больницу. После выздоровления, вернувшись домой, обнаруживает, что вся семья слегла, а брат Вася отправился жить, учиться и работать на сельскохозяйственную ферму. Проблемы по добыванию денег легли на Лёшу. Вначале он неудачно торговал на базаре, затем его тоже отправили на ферму к брату, там его били, научили воровать. Через два месяца Лёша сбежал оттуда обратно к тётке, но не смог там остаться и отправился в детский дом. Там он пробыл недолго, с приятелями они ограбили склад, и его задержали при сбыте краденого, после чего перевели в другой детский дом, откуда он сбежал в первый же день.
Лёша стал пробираться в Петроград.
Вначале он хотел доехать до Рыбинска на пароходе, но рядом с Казанью всех пассажиров высадили, и ему пришлось идти пешком в Казань. Там он устроился помощником сапожника, и проработал всё лето, осенью вновь собрался в путь. Вскоре он остался без денег, вновь начал воровать, был пойман и отправлен в Мензелинск, в детскую колонию имени III Интернационала. В колонии было голодно и грязно, поэтому в начале зимы Лёша сбежал оттуда, пытался воровать, затем устроился в финотдел курьером, но практически сразу же по собственной неосторожности попал в больницу. Когда он выписался оттуда, оказалось, что ему некуда идти. Вначале он хотел вернуться в детский дом, но его подобрала Городская организация комсомола. Ему предоставили жилье, положили зарплату и паёк, отправили учиться в профессиональную школу. Однако там ему было трудно из-за пробела в образовании, и он сосредоточился на стихах и пьесах. Вскоре комсомольцы подтянули его в точных науках.
В феврале 1920 года в Мензелинске началось кулацкое восстание, подавляли его в том числе и комсомольцы. Было много жертв с обеих сторон, в том числе и Лёшины друзья. Весной 1920 г. он снова решает пробираться в Петроград, но и на этот раз не добрался туда.
По дороге Лёша попал под полозья саней, один сапог порвался, и дальше не было сил идти. Он заболел плевритом, но его выходили крестьяне Кувшинниковы, у которых он прожил лето 1920 года. Однако осенью ему вновь захотелось домой. Он сел на первый попавшийся поезд, шедший в Уфу, затем, постоянно меняя поезда, доехал до Белгорода. Там его заметили агенты ЧК и сняли с поезда. В ЧК ему выдали справку, что он беспризорный и едет в Петроград, дали на дорогу хлеба и денег. Однако в поезде его обокрали, а контроль высадил на ближайшей станции. Год Лёша скитался по Украине, пытался работать, порой воровал, торговал папиросами и, наконец, в конце лета 1921 года вновь твердо решил ехать домой. Он сел на первый поезд до Курска, и оттуда уже вернулся в Петроград.
Там отыскал свою семью; к счастью, все оказались живы и здоровы. Лёша стал искать работу. Это было в то время трудно, — он устроился к частнику, развозить лимонад. Там ему не платили, и вскоре он ушёл оттуда и поступил в бывшую гимназию Гердер, теперь Единую Трудовую Школу номер 149, однако в школе было трудно учиться из-за взаимоотношений внутри класса. Там он продолжил писать стихи. Александра Сергеевна устроилась на хорошую работу и давала Лёше какую-то сумму денег каждый месяц. Почти все деньги он тратил на книги. Вскоре Лёшу исключают из школы. Из-за проблем с деньгами он стал выкручивать электрические лампочки и продавать на базаре, но его поймали и отправили в республику ШКиД.
В Школе имени Достоевского он взялся за ум, стал хорошо учиться, познакомился с Григорием Белых, заслужил своё прозвище Лёнька Пантелеев. Однако в 1923 году они с Гришей Белых заболевают кинематографом, уходят из школы, отправляются в Харьков, где поступают на курсы киноактёров, но потом оставили и это занятие — ради романтики странствий. Некоторое время они занимались самым настоящим бродяжничеством. Но в конце 1925 года возвращаются в Ленинград и пишут книгу «Республика ШКИД», которая выходит в свет в 1927 году.
В начале 1927 года под свежим впечатлением от прочитанного Максим Горький много раз писал о «Республике ШКИД» и в статьях своих, и в письмах — А. Макаренко, К. Федину, М. Пришвину, Сергееву-Ценскому и другим. До 1936 года «Республика Шкид» десять раз переиздавалась только на русском языке, была переведена на многие языки народов СССР и за границей.
В эти годы он знакомится с другими литераторами: С. Маршаком, Е. Шварцем, В. Лебедевым, Н. Олейниковым. Юмористические рассказы и фельетоны Г. Белых и Л. Пантелеева печатают журналы «Бегемот», «Смена», «Кинонеделя».
В 1933 году Л.Пантелеев пишет повесть «Пакет», посвященную Гражданской войне. Главный ее герой, Петя Трофимов, был признан критикой «литературным братом» Тёркина.
В 1936 Григория Белых репрессируют и он погибает в тюрьме. На Л. Пантелеева тоже возводились различные обвинения. Ему удалось избежать ареста, в частности, благодаря поддержке К.Чуковского и С.Маршака, которые были экспертами по его творчеству.
С началом Великой Отечественной Войны Л. Пантелеев остаётся в осажденном городе и почти постоянно ведёт свои заметки о блокадной жизни в Ленинграде. В марте 1942 год он находится на грани жизни и смерти от дистрофии. Кроме того, четыре месяца он живет без карточек на продукты, так как его лишают прописки. В июле 1942 года А. А. Фадеев вывез тяжелобольного Л. Пантелеева на самолёте в Москву. Снова писатель приезжает в родной город по командировке ЦК ВЛКСМ в январе 1944 года в канун снятия блокады и разгрома немцев под Ленинградом.
На войне погибает его брат Вася.
После войны Л. Пантелеев много пишет, тесно дружит с Е. Шварцем, К. Чуковским. Вскоре он женится на Элико Семёновне, в 1956 у них рождается дочь Маша (умерла в 1990 году). В 1966 году он публикует книгу «Наша Маша», своеобразный родительский дневник.
Скончался писатель 9 июля 1987 года. Через три года дочь писателя была похоронена рядом с отцом.
О своих религиозных взглядах Пантелеев свидетельствует в автобиографической книге «Верую»: «Хотя почти всю жизнь я ходил в церковь таясь, оглядываясь, делая, как заяц, петли, запутывая след, о том, что я там бываю и молюсь, знали не только в нынешнем МГБ, но еще и в НКВД и даже, пожалуй, в ГПУ.». В традициях веры он воспитывал и свою дочь, однако учась в школе, Маша столкнулась с прямо противоположным воспитанием в духе воинствующего атеизма, и этот конфликт надломил ее натуру и стал причиной столь ранней смерти.