Народився Любомир Дмитерко 18 березня 1911 року в родині сільського вчителя. Коли Любомирові було три роки, розпочалася Перша світова війна.

1919 року родина Дмитерків, «рятуючись від білополяків» , переїхала до Кам'янця-Подільського. Тут Любомир навчався в першій єдиній трудовій школі імені Степана Руданського, що в Старому місті. Тоді школа була семирічною (нині це загальноосвітня школа I—III ступенів № 1).

1928 року газета «Червоний кордон», що видавалася в Кам'янці-Подільському, опублікувала перший вірш Дмитерка — «Мати». 

«Спокушений чарами поетичної музи», Дмитерко покинув навчання в Кам'янець-Подільському інституті народної освіти, де був тільки факультет соціального виховання й подався в Київ, де в місцевому ІНО (тепер Київський національний університет імені Тараса Шевченка) був ще один факультет — професійної освіти , із сильною професурою, який готував фахівців вищого профілю. Саме на цей факультет Дмитерко надумав перевестися. Проте Дмитеркові відмовили. Поет образився, бо, за його словами, «прочитав гори літератури і ладен був змагатися не з одним студентом». Дмитерко став працювати позаштатним репортером обласної газети. Заробляючи копійки, Любомир писав вірші та підшукував соліднішу роботу. 

1930 року 19-річний Дмитерко зумів видати одразу дві книжки — прозову та поетичну. У Києві в «Масовій бібліотеці» видавництва «Західна Україна» побачила світ накладом 15 тисяч примірників 32-сторінкова збірка оповідань «Вітер зі Сходу». Поетична збірка «Іду!», видана в Харкові у Державному видавництві України, була удвічі товстішою — 60 сторінок, але мала наклад значно менший — всього 2 тисячі примірників.

Наступного року побачили світ ще дві віршовані книжки Любомира Дмитерка: поема «Сорочинська республіка» (10 тисяч примірників, 56 сторінок) у співавторстві з Марією Пригарою та друга книжка поезій «Товтри» (2 тисячі примірників, 136 сторінок), назву якій дав кряж Товтри поблизу Кам'янця-Подільського.

Дмитерко був членом літературної організації «Західна Україна». На початку 1933 року почалися арешти членів київської філії організації. 4 лютого було ув'язнено Любомира Дмитерка. Більшість заарештованих невдовзі після затримання написали заяви-каяття до колегії Державного політичного управління УСРР, визнавши свою належність до УВО — Української військової організації. Двоє із заарештованих — Любомира Дмитерка та Агату Турчинську — через те, що вони «не вписувалися» за віком і статтю в розроблену чекістами схему УВО, було звільнено.

Любомир Дмитерко був учасником радянсько-німецької війни (був військовим кореспондентом армійських і фронтових газет). Друкувався з 1930 року.

Помер 2 жовтня 1985 року в Києві. Похований на Байковому кладовищі. 1990 року на могилі встановлено пам'ятник: на майданчику червоного мармуру куб, а на ньому — бронзове погруддя письменника. На кубі бронзовими літерами зроблено напис «Любомир Дмитерко. 1911—1985». Скульптор Іван Макогон.