레오니드 아나톨리예비치 레빈(Leonid Anatolievich Levin, 러시아어: Леони́д Анато́льевич Ле́вин, 1948년 11월 2일 ~ )은 소비에트 연방 출신의 미국 수학자이자 컴퓨터 과학자이다.
레빈은 1948년 우크라이나 SSR 드니프로페트로프스크(현재의 드니프로)에서 태어났다. 1970년 모스크바 대학교에서 석사 학위를 취득하였으며, 안드레이 콜모고로프(Andrey Kolmogorov)의 지도 아래 연구를 수행했다. 1972년에는 후보 학위(Candidate Degree) 과정을 마쳤다. 이후 모스크바 정보전달 연구소와 석유·가스 산업 자동화 연구소에서 연구원으로 근무하다가 1978년 미국으로 이민하였고, 1979년 매사추세츠 공과대학교(MIT)에서 앨버트 R. 마이어(Albert R. Meyer)의 지도로 박사 학위를 취득했다. 1980년부터 보스턴 대학교 컴퓨터 과학과 교수로 재직 중이다.
레빈은 계산 복잡도 이론 분야에서 중요한 업적을 남겼다. 특히 스티븐 쿡(Stephen Cook)과 독립적으로 NP-완전(NP-complete) 문제의 존재를 증명하였으며, 이는 쿡-레빈 정리(Cook–Levin theorem)로 알려져 있다. 이 정리는 불 만족 가능성 문제(Boolean satisfiability problem, SAT)가 NP-완전임을 증명한 것으로, 계산 복잡도 이론의 초석이 되었으며 클레이 수학연구소(Clay Mathematics Institute)가 제시한 7개의 밀레니엄 문제 중 하나인 P vs NP 문제의 기반이 되었다. 레빈의 이 결과는 1973년 《정보전달의 문제》(Problems of Information Transmission) 저널에 러시아어로 발표되었다.
그 외에도 평균 사례 복잡도(average-case complexity), 알고리즘 확률(algorithmic probability), 알고리즘 정보 이론, 무작위성, 정보 이론 등 다양한 분야에서 연구를 수행했다.
2012년 NP-완전성 발견과 평균 사례 복잡도 개발에 대한 공헌으로 크누스 상(Knuth Prize)을 수상하였다. 미국 국립과학원(National Academy of Sciences) 회원이자 미국 예술과학아카데미(American Academy of Arts and Sciences) 펠로우이다.
