В 1939—1941 годах — сотрудник посольства СССР в Париже, резидент ИНО НКВД.
Участвовал в операции по ликвидации Льва Троцкого в Мексике, за что был награждён орденом Красного Знамени
В 1941—1942 годах — заместитель резидента НКВД в Анкаре (Турция).
В 1943—1945 годах — резидент НКГБ в Мехико (Мексика).
В 1945—1947 годах — начальник научно-технической разведки НКГБ СССР, заместитель начальника разведывательного бюро по атомной проблематике.
Сопровождал Якова Терлецкого в Копенгаген на встречу с Нильсом Бором.
С 1948 года — пенсионер МГБ СССР. В 1948—1953 годах занимал должность заместителя директора Главкинопроката Госкино СССР.
В 1954 году в связи с делом Берии был исключён из партии и лишён воинского звания «за политические ошибки в заграничной работе». В 1959 году реабилитирован, восстановлен в КПСС и звании полковника.
С 1954 года занимался литературной деятельностью. Автор документальных повестей «После Зорге», «В оккупированном Париже», «На земле Монтесумы», «Дни и ночи Мадрида», «Испанская хроника Григория Грандэ», «Чекистские были», более 50 книг и статей по истории гражданской войны в Испании. Умер в Москве в 1979 году.
Но пожалуй самая главная книга из-за которой его должен знать практически каждый россиянин это

Вместе с Анатолием Горским (в годы Второй мировой войны — резидентом советской разведки в Англии), Лев Петрович Василевский перевёл на русский язык книгу Рафаэля Сабатини «Одиссея капитана Блада».