Леонид Николаевич родился 9 (21) сентября 1839 года в городе Любиме Ярославской губернии в семье мелкого чиновника.

Окончил курс в Ярославской гимназии (1856) и ярославском Демидовском юридическом лицее. Почти всю жизнь прожил в Ярославле.
С 1856 по 1866 год — помощник редактора, с 1866 по 1871 год — редактор неофициальной части «Ярославских губернских ведомостей». Служил некоторое время в Ярославском губернском правлении. С 1872 года до смерти служил в Ярославском земстве.
С 1857 года начал печататься в газете «Ярославские губернские ведомости». За несколько лет там были напечатаны его стихи («Иван Сусанин», «Катанье» и др.) и переводы («Добрая старушка» Беранже). С 1864 года Трефолев начинает печататься в столичных изданиях: «День», «Дело», «Искра», «Развлечение», «Народный голос», «Отечественные записки» (в 1880-е), «Вестник Европы», «Наблюдатель», «Русская мысль» и других. С 1872 года редактировал «Вестник Ярославского губернского земства».
В 1900 году и в 1903—1905 годах был председателем Ярославской губернской учёной архивной комиссии.
Леонид Николаевич умер 28 ноября (11 декабря) 1905 года в Ярославле. Похоронен на Леонтьевском кладбище Ярославля.
Как поэт Трефолев сформировался в некрасовской школе. Для ряда его произведений характерны мотивы любви к народу, сочувствия его нуждам. В стихах Трефолева очерчены образы столичной городской бедноты (стихотворения «Песня рабочих», «Грамотка», «Шут», «Честный должник»); но с особенным вниманием он рисует жизнь нищего, задавленного нуждой и трудом крестьянства («Песнь о камаринском мужике», стихотворения «Обоз», «Батрак», «Деревенская долюшка-доля», небольшая поэма «На бедного Макара и шишки валятся» и др.). Показал тяжёлую долю женщин(стихотворения «Красные руки», «Таинственный ямщик», «Дуня»). Однако, поэзии Трефолева не свойственна революционная целеустремленность. В отдельных стихах его (особенно 80-х гг.) звучат ноты уныния, смирения, преклонения перед долготерпением крестьянства.
В 1877 году была издана в Ярославле книга стихов Трефолева «Славянские отголоски». Леонид Николаевич в 1880-е писал политические сатиры как на либералов, так и консерваторов, в том числе эпиграммы на Каткова, Александра III («Царь наш — юный музыкант», «Музыкант», «Александр III и поп Иван»), Победоносцева. Сборник стихов Трефолева, изданный в 1894 году, был сильно укорочен цензурой.
Благодаря простоте языка, напевности, песенным интонациям песни на стихи Трефолева «Песня о камаринском мужике», «Дубинушка», «Когда я на почте служил ямщиком» стали народными песнями.