Se afilió al Partido Obrero Socialdemócrata de Rusia (POSDR) en 1901 y fue miembro de la fracción Bolchevique desde su aparición en 1903. Desde ese momento y hasta 1908, se convirtió en un revolucionario profesional desarrollando su actividad política en San Petersburgo, Moscú y Tiflis. Asistió a diversos congresos del partido en el extranjero y sufrió numerosos arrestos.
Después de asistir al III Congreso en Londres, celebrado en marzo de 1905, Kámenev volvió a Rusia y participó en la Revolución de 1905 en la ciudad de San Petersburgo entre los meses octubre y diciembre. Volvió a Londres para asistir al V Congreso del partido, donde fue elegido para el Comité Central y para dirigir la fracción bolchevique en mayo de 1907, pero fue arrestado después de su vuelta a Rusia. Fue liberado en 1908 y, a finales de ese mismo año, emigró a Europa occidental para ayudar a Lenin en la edición de diversas publicaciones, como la revista bolchevique Proletarios, El socialdemócrata o Noticias obreras. Después de la ruptura de Lenin con otro viejo bolchevique, Bogdánov, a mediados de 1908, Kámenev y Grigori Zinóviev se convirtieron en los principales colaboradores de Lenin en el exilio.
En enero de 1912 fue enviado a San Petersburgo para dirigir el trabajo de los bolcheviques en Pravda y la reducida fracción bolchevique de la Duma (integrada por seis diputados). Fue arrestado tras el estallido de la Primera Guerra Mundial —los diputados bolcheviques se habían opuesto a la guerra— el 4 de noviembre de 1914. Fue juzgado y deportado a Siberia en febrero de 1915, donde pasó dos años hasta ser liberado por la Revolución de Febrero de 1917.
Retornó a Petrogrado, y se puso al frente de Pravda, desde cuyas páginas defendió junto a Stalin llegar a acuerdos con la política del Gobierno Provisional en contra de la posición de Lenin todavía en el exilio. Fue uno de los dirigentes bolcheviques detenido por las autoridades tras el fracaso de las Jornadas de Julio —el único miembro arrestado del Comité Central— y encerrado en la prisión de Kresty en la capital. Tras su liberación un mes más tarde, regresó a su puesto como editor de Pravda y portavoz del partido ante el Sóviet de Petrogrado.
Él y Zinóviev fueron los dos únicos miembros del Comité Central bolchevique que votaron en contra de la inmediata toma del poder en la histórica reunión de este organismo del 23 de octubre. Argumentaron que el partido carecía de la fuerza suficiente para tomar el poder y conservarlo. Kámenev dimitió poco después pero, al ponerse en marcha la insurrección, retomó sus actividades en el Smolny y participó en la toma del poder. En el II Congreso de los Sóviets, en el que se formalizó el derrocamiento del Gobierno provisional y el traspaso del poder a los órganos políticos de la revolución, Kámenev fue elegido presidente y jefe del Comité Ejecutivo Central del Congreso de los Sóviets. De hecho, fue el encargado de anunciar ante el Congreso el arresto del Gobierno Provisional, así como de proclamar que parte de las tropas que éste había llamado a la capital para sofocar la rebelión se habían pasado a los revolucionarios.
Con Lenin gravemente enfermo, Kámenev mantuvo una estrecha relación con Zinóviev y Stalin, integrando con ellos el llamado triunvirato que concentró el poder en el Partido Comunista y empezó a marginar a León Trotsky de las tareas de dirección del partido y del Estado. La alianza con Stalin se consolidó tras la muerte de Lenin en enero de 1924, cuando Kámenev y Zinóviev participaron en la campaña de ataques e injurias contra Trotsky la Oposición de Izquierda
En 1925, Kámenev y Zinóviev rompieron sus relaciones con Stalin a raíz de la teoría del socialismo en un solo país. Más tarde confesarían su participación en la campaña difamatoria contra Trotsky y en la invención del término trotskismo para desacreditar a la Oposición de Izquierda como desviacionismo menchevique. En 1926 establecieron una alianza con la Oposición de Izquierdas que daría lugar a la llamada Oposición Conjunta. La represión desatada por el aparato incluyó la expulsión de Kaménev del Comité Central y del partido en 1927. Pero tanto él como Zinóviev no tardarían tiempo en capitular ante Stalin.
En 1928 renunciarían a su labor oposicionista y cedieron, pero nunca volvieron a recuperar sus puestos en el Comité Central. Kámenev fue expulsado de nuevo junto a Zinóviev del PCUS en 1932, y ambos fueron juzgados y exculpados por falta de pruebas el 20 de diciembre de 1934, y detenidos nuevamente en enero de 1935.
En agosto de 1936, después de meses de cuidadosas preparaciones y un ensayo general en las prisiones de la NKVD (Policía secreta estalinista), Kámenev, Zinóviev y otros 14 detenidos más, la mayoría miembros de la vieja guardia bolchevique, fueron juzgados en el que se conocería como el Primer Juicio de Moscú. Como los otros acusados, Kámenev fue encontrado culpable y ejecutado el 25 de agosto de 1936.
