Сын Анны Ахматовой и Николая Гумилева. Родился в Петербурге. В 1930 году пытался поступить в Ленинградский университет, но не был допущен к экзаменам как "сын врага народа". Участвовал в нескольких геологических экспедициях в Саяны и на Памир.

В 1934 году все же сумел поступить в университет на восточное отделение, но год спустя был арестован за "недонесение" - и вышел из тюрьмы лишь после неоднократных обращений А. А. Ахматовой в различные инстанции. В университете Гумилева восстановили в 1937 году, а через год снова арестовали, дали пять лет в колонии строгого режима и отправили строить Беломоро-Балтийский канал, откуда его вскоре перевели в Норильский ГУЛАГ.

В 1943 году, по истечении срока, Гумилев пытался уйти на фронт, но попал в армию лишь в 1944 году и оказался в штрафбате, в составе которого брал Берлин.

В 1946 году защитил диплом и поступил в аспирантуру, а в 1948 году был снова арестован за "подрывную деятельность" и приговорен к десяти годам тюрьмы; в 1956 году дело было закрыто "за недоказанностью улик", Гумилев вернулся в Ленинград и через несколько лет защитил докторскую диссертацию, в 1967 году опубликованную под названием "Древние тюрки". С 1956 года и вплоть до ухода на пенсию (1986) он читал лекции на географическом факультете университета. В 1974 году защитил вторую докторскую диссертацию ("Этногенез и биосфера Земли", опубл. 1989). Впрочем, официальной советской наукой идеи Гумилева отвергались, его книги запрещались к изданию. Признание наступило лишь с "перестройкой", плодов которой Гумилев уже не увидел. Он скончался в 1992 году и был похоронен в Александро-Невской лавре.