Он 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.
В 1958 году в Ярославле был установлен памятник Л. Н. Трефолеву на улице, переименованной в его честь (бывшая Варваринская). Имя Трефолева носят ярославская библиотека-филиал № 6 и Ярославская областная премия за достижения в развитии журналистики. В Любиме установлен посвящённый ему памятный знак.
