Лев Семёнович Выготский окончил юридический факультет МГУ и историко-философский факультет Московского городского народного университета им. А.Л. Шанявского в 1917 году. Уже в Гомеле, после Октябрьской революции, он начал преподавать литературу в школе и организовал первый психологический кабинет при педагогическом техникуме — начало его научной карьеры.
В 1924 году, после выступления с революционным докладом «Методика рефлексологического и психологического исследования» на II Всероссийском съезде по психоневрологии, Выготский переехал в Москву — начался его московский период. Он работал в ряде ведущих научных и педагогических институтов: Московском институте экспериментальной психологии, ЛГПИ им. Герцена, Государственном институте научной педагогики, 2-м МГУ, Академии коммунистического воспитания им. Крупской, МГПИ им. Бубнова, а также в Экспериментальном дефектологическом институте (ЭДИ), который сам основал. Читал лекции в Ташкенте и Харькове.
Его ранние научные интересы охватывали литературную критику: в 1914–1917 годах он писал рецензии на произведения символистов — Белого, Иванова, Мережковского, а в 1915–1916 годах завершил работу «Трагедия о Гамлете Датском» — одну из первых психологических интерпретаций шекспировского героя.
В 1925 году его диссертация «Психология искусства» была защищена как докторская, а в 1926 году вышел его учебник «Педагогическая психология» — первый в СССР систематический курс для учителей. Он участвовал в международных конгрессах в Йельском университете (1929) и в Барселоне (1930), где представил доклад о высших психических функциях в психотехнических исследованиях.
В 1927–1931 годах Выготский разработал теорию культурно-исторического развития — ключевой вклад в психологию. В центре его внимания оказались «высшие психические функции» — память, внимание, мышление, речь — как продукты социокультурного опосредования, формируемые через знаковые инструменты (особенно язык). Эта идея нашла отражение в его фундаментальной книге «История развития высших психических функций» (1930–31, опубл. 1960) и в монографии «Мышление и речь» (1934), ставшей основой современной психолингвистики.
Совместно с А.Р. Лурией он провёл одну из первых кросс-культурных экспедиций в Среднюю Азию (1931–32), изучая влияние культуры на когнитивные процессы. В 1931 году поступил на медицинский факультет Харьковской психоневрологической академии.
Выготский ввёл понятие «зоны ближайшего развития» — принцип, согласно которому эффективное обучение опережает текущий уровень развития ребёнка. Он также предложил новую периодизацию психического развития, в которой кризисы возрастных этапов рассматривались как необходимые и продуктивные стадии формирования личности. Его идеи о социальной ситуации развития, взаимосвязи сознания, культуры и поведения, а также о коррекции психических нарушений заложили основы дефектологии и педологии.
Среди его учеников — Л.И. Божович, А.Н. Леонтьев, А.Р. Лурия, П.Я. Гальперин, Д.Б. Эльконин и другие. Его идеи оказали глубокое влияние на мировую психологию, педагогику, лингвистику, нейропсихологию и социокультурную теорию обучения. По его имени назван коллектив исследователей, известный как «круг Выготского-Лурии» (также «круг Выготского»). В 1980-е годы его труды были переведены на английский и легли в основу современной образовательной психологии в США.
Автор более 270 научных работ. Автор литературоведческих публикаций, работ по педологии и когнитивному развитию ребёнка. С 1929 по 1931 заведовал психологической лабораторией в Клинике нервных болезней при Первом МГУ им. М.В. Ломоносова.