Љубомир Георгиев Милетич е роден на 1 јануари 1863 година во Штип, во семејство на учители.
Основното и средното образование го завршил во Бугарија, а класична гимназија завршил во Загреб. Високото образование го продолжил на Загрепскиот универзитет и на Карловиот универзитет во Прага.
Во 1887 година станал учител во Софиската машка гимназија, а во 1888 година докторирал на Загрепскиот универзитет.
Од 1892 година бил професор во Софиското високо училиште, каде што предавал славјанска филологија. Подоцна станал редовен професор на Катедрата по славјанска филологија, должност што ја извршувал до 1934 година.
Во периодот од 1911 до 1925 година бил потпретседател на Бугарската академија на науките, а од 1926 година до својата смрт бил нејзин претседател.
Во 1923 година бил еден од иницијаторите за основањето на Македонскиот научен институт во Софија. Од 1928 година бил негов претседател, а воедно и главен уредник на списанието „Македонски преглед“, кое започнало да излегува во 1925 година.
Љубомир Милетич оставил значаен научен и публицистички опус, посветен на јазикот, историјата, етнографијата и револуционерното движење во Македонија. Посебно се познати неговите записи и спомени собрани од истакнати дејци на Македонското револуционерно движење.
Починал на 1 јуни 1937 година.
Бил член на Руската академија на науките, Полската академија на науките во Краков, Чешката академија на науките и Југословенската академија на науките и уметностите во Загреб, како и почесен член и почесен доктор на повеќе научни институции и универзитети во Европа.