Après des études de violon et de chant, Lionel Sow se tourne vers la direction de chœur et d’orchestre, il obtient au CNSMD de Paris des premiers prix en harmonie, contrepoint, fugue, direction de chœur, chant grégorien, écriture et de contrepoint. Il obtient en 2005, le Certificat d’Aptitude à la direction d’ensembles vocaux. Parallèlement, Lionel Sow devient directeur musical de plusieurs ensembles vocaux.

Dès 1995, il dirige la Maîtrise des petits chanteurs de Saint-Christophe ; en 2000, il prend la direction artistique de l’ensemble vocal Les Temperamens, et en 2002, de la Maîtrise Notre-Dame de Paris où il assure la direction du chœur d’enfants en devenant l’assistant de Nicole Corti, avant d’en prendre la direction artistique et pédagogique en 2006.

Depuis 2004, Lionel Sow dirige régulièrement le Chœur de Radio France pour la préparation de programmes a cappella ou avec orchestre. Il est par ailleurs amené à collaborer avec de nombreux ensembles : l’Orchestre national de France et l’Orchestre philharmonique de Radio France, le Chœur et la Maîtrise de Radio France, la Maîtrise de Paris, le Chœur de l’Armée Française, l’Ensemble Doulce Mémoire, Sequenza 9.3, Les Paladins, le San Francisco Symphony Orchestra, le Cleveland Symphony Orchestra, le West-Eastern Divan Orchestra… et chefs d’orchestre : Myung-Whun Chung, Fabio Biondi, John Nelson, Riccardo Chailly, Paavo Järvi, Yutaka Sado, James Conlon, Herbert Blomstedt, Michael Tilson Thomas, Leonardo Garcia Allarcon, Jaap van Zweden, Bertrand de Billy, et bien sûr Thomas Hengelbrock et Daniel Harding. Lionel Sow enseigne la direction de Chœur au cours de stages de formation professionnelle et intervient lors de sessions auprès du département de musique ancienne et de la classe de direction d’orchestre du Conservatoire de Paris–CNSMDP.

En septembre 2011, et à la demande de Paavo Järvi, Lionel Sow prend la direction du Chœur de l’Orchestre de Paris avec le projet de lui donner une nouvelle impulsion dans la perspective de sa résidence à la Philharmonie de Paris à partir de janvier 2015. En 2012, il crée l’Académie, en 2013 le Chœur de chambre, en 2014 le Chœur d’enfants et en 2015 le Chœur de jeunes. En janvier 2017, il rejoint l’équipe pédagogique du département voix et direction de chœurs du CNSMD de Lyon. En 2011, Lionel Sow a été élevé au rang de Chevalier de l’ordre des Arts et des Lettres.