1908年3月16日，出生于湖南省湘潭县贫农家庭。大革命初，加入湘潭码头工会。不久，参加北伐军，为陈赓同志警卫员。1927年4月，中共“五大”在武汉召开，受到中央军委书记周恩来的接见。1927年蒋介石发动“四?一二”反革命事变，卢冬生参加南昌起义，在贺龙领导的部队担任警卫副官。同年8月，在诿南会昌城会战中，冒死救出负伤的陈赓，几经周折，护送其到上海，找到党中央。1927年12月7日，加入中国共产党，留在党中央特科任交通员，护送贺龙到湘鄂西组织红军。1928年，贺龙一度和中央失去联系，派卢冬生前往上海，找到党中央，把党中央的重要指示送到贺龙手中。1931年，任红3军独立团政委，扩编后任独立师政委。1933年7月，任红3军主力7师师长，同“左”倾机会主义路线进行了针锋相对的斗争。1934年2月，当选为黔东特区革命委员会委员。10月，率7师与红6军会师，任红2军团第4师师长。1935年红军北上长征，指挥4师渡过金沙江，又率军爬雪山草地，于10月20日在甘肃会宁县与红7方面军胜利会师。全面抗战后，任第8路军120师第358旅旅长。1938年2月，去苏联疗养。1939年在伏龙芝陆军大学学习。1941年9月，被派到苏联远东红旗军第88旅工作。1945年8月抗战胜利，卢冬生和周保中等同志回到东北。同年12月14日，刚任命为松花江军区司令员的被违纪苏军士兵枪杀，时年37岁。