Получив превосходное домашнее образование, юный князь владел польским, французским и немецким языками. Он активно участвовал в литературных и музыкальных вечерах, блистал на балах, устраиваемых его отцом, пользовался возможностью общаться с самыми интересными людьми своего времени.
Отец отправил сына, серьезно увлеченного историей и общественными науками, в Парижский университет. В 1862 году Лев Голицын получил ученую степень бакалавра и возвратился в Россию, намереваясь продолжать образование. В конце 1864 года князь Голицын поступил на службу в Министерстве иностранных дел, где сначала был канцелярским чиновником при Азиатском департаменте, а потом – коллежским регистратором. Позже он служил в Главном архиве внешнеполитического ведомства.
Уйдя со службы, Голицын продолжает учебу на юридическом факультете Московского университета. Труды по римскому праву, которые 22-летний Голицын опубликовал в студенческие годы, заслужили высокую оценку в научной среде. Несмотря на предложение остаться при университете, чтобы подготовиться к получению профессорского звания, князь отправляется в заграничное путешествие, углубляя свои познания в немецких университетах.
Оказавшись во Франции, Голицын чрезвычайно заинтересовался виноделием. Он начал тщательно изучать процесс производства виноградных вин. После возвращения в Россию, князь высадил в небольшом хозяйстве под Феодосией виноград сортов Саперави и Мурведер. Получившиеся из них вина быстро приобретают известность, сначала в Крыму, а потом и в Москве.
Купив у грузинского князя Херхеулидзева урочище Парадиз у подножия горы Сокол, Голицын переименовал его в Новый Свет. На площади более чем 20 гектар вскоре был заложен питомник, где культивировались сотни различных сортов винограда. Кроме того, князь насадил виноградники в окрестностях Феодосии и на Кавказе.
Лев Голицын первым в России организовал промышленное производство высококачественных вин, включая шампанские. Для этого в 1878 году в Новом Свете было выстроено соответствующее предприятие, а в горе Коба-Кая устроены подвалы для хранения вин. В особом подвале № 4 князю удалось собрать уникальную коллекцию вин, созданных в 18–19 веках. В нее вошло более пятидесяти тысяч бутылок.
В 1913 году здоровье князя начало ухудшаться, а материальное положение оставляло желать лучшего. Надеясь сохранить уникальное хозяйство, Голицын преподнес в дар императору Николаю II часть имения Новый свет, куда входили завод по производству шампанских вин, подвалы и его знаменитая коллекция.
Князь Лев Сергеевич Голицын умер (26 декабря 1915) 8 января 1916 года в Феодосии, в возрасте семидесяти лет. Был похоронен в склепе на виноградниках в Новом Свете.