Воевал в ополчении, вернувшись с войны, начал работать на студии «Союзмультфильм». В качестве художника-постановщика создал знаменитые советские анимационные картины «Конек-Горбунок», «Цветик-семицветик», «Гуси-лебеди», «Сказка о мертвой царевне и о семи богатырях», «Царевна-Лягушка», «Сказка о царе Салтане» и несколько десятков других. Также работал над художественными фильмами и снял несколько мультфильмов как режиссер. Лев Мильчин участвовал в создании очень необычного для 1980-х годов детского фильма-сказки «Мария, Мирабелла», героями которой стали дети и рисованные персонажи. Фильм снимался совместно румынской и советской киностудиями.
Кроме того, Лев Исаакович пробовал свои силы в книжной графике, а также передавал секреты мастерства студентам родного ВГИК,
Лев Мильчин скончался в июне 1987 года в 66 лет. Похоронен на Митинском кладбище. На лаконичном памятнике из красного гранита имя художника и его жены и коллеги Надежды Мильчиной, пережившей супруга всего на четыре года. Участок огорожен оградкой с геометрическими узорами, а на могиле, контрастируя с жухлой прошлогодней травой, яркими пятнами смотрятся разноцветные букеты искусственных цветов.
