Накануне Великой Отечественной войны был назначен начальником штаба 36-й кавалерийской дивизии БОВО. Во время войны Доватор показал себя отличным командиром, одним из первых военачальников был награждён орденом Красного Знамени. В августе 1941 года возглавил Отдельную кавалерийскую группу на Западном фронте, которая под его талантливым руководством сумела прорваться во вражеский тыл. За две недели казаки-кавалеристы Льва Михайловича уничтожили более 2000 немецких солдат, 9 танков, около 200 машин. Операция была по достоинству оценена советским руководством – за нее Лев Доватор получил звание генерал-майора и орден Ленина. Войска под его руководством участвовали в обороне под Ржевом, прикрывая подступы к Москве, воины Доватора участвовали в тяжёлых оборонительных боях на реке Меже и Ламе, на Волоколамском направлении в районе Крюкова.
В практике генерал-майора было лично посещать части корпуса, чтобы поддержать боевой дух солдат. В декабре 1941 года Лев Доватор со 2-м Гвардейским кавалерийским корпусом находился у деревни Палашкино. В этот раз он решил лично осмотреть позиции противника, но неудачно – был замечен немцами. Уцелеть на открытом пространстве генерал-майору Доватору вариантов не было – при осмотре в бинокль позиций противника перед боем 19 декабря 1941 года он был смертельно ранен пулемётной очередью. Лев Доватор был посмертно награждён медалью «Золотая звезда» и орденом Ленина. За мужество и героизм, проявленные в военных действиях, ему присвоили почетное звание Героя Советского Союза. В память об этом смелом военном командире в городе Руза есть памятник.
В честь Льва Доватора названа одна из улиц в Ленинском районе Омска.
