Loewinson-Lessing oli arsti poeg. Ta lõpetas 1879 Peterburi 3. gümnaasiumi ja 1883 Peterburi ülikooli. Oli 1889–91 mineraloogia ja petrograafia eradotsent, 1892–1902 Tartu Ülikooli mineraloogia professor, 1893–99 ühtlasi füüsika-matemaatikateaduskonna dekaan. Alustas TÜ-s põhjapanevat magmakivimite uurimist. 1902–20 oli Peterburi polütehnilise instituudi ja 1920–39 Peterburi (Leningradi) ülikooli professor, 1925–29 NSVL TA Mullainstituudi ja 1930–38 NSVL TA Petrograafiainstituudi direktor. Asutas 1935 Kamtšatka vulkanoloogiajaama ja oli selle esimene direktor. Koostas tardkivimite keemilise klassifikatsiooni.
