Après une formation de violoniste, tout d'abord au Conservatoire Supérieur de Paris C.N.R. (1er prix en 1996), puis auprès d'Annie Jodry à l'École Nationale de Musique de Fresnes (Prix de virtuosité en 1998), Lionel Sow se tourne vers la direction de chœur. Il suit une formation musicale au Conservatoire National de Région de Paris, et au Conservatoire National Supérieur de Musique de Paris, couronnée par de nombreux premiers prix : harmonie, contrepoint, fugue (dans la classe de Thierry Escaich), direction de chœur (dans la classe de Patrick Marco), direction de chant grégorien, écriture XXe siècle et contrepoint Renaissance. Il obtient le Certificat d'Aptitude à la direction d'ensembles vocaux en 2005. Parallèlement à des études de chant avec Nicole Fallien, et de direction d'orchestre avec Jean-Jacques Werner, il prend la direction de plusieurs ensembles vocaux spécialisés en musique ancienne et baroque. Avec la Maîtrise des Petits Chanteurs de Saint-Christophe, qu'il dirige depuis 1995, il enregistre en 2000 le Requiem et les Lamentations de J. Gilles, en 2003 la Matthaüs Passion de H. Schütz et en 2004 les Geistliche Lieder de J. Brahms et A. Bruckner. En janvier 2000, Lionel Sow est le directeur artistique de l'ensemble vocal Les Temperamens, et en septembre 2002, il devient l'assistant de Nicole Corti à la Maîtrise Notre-Dame de Paris où il assure la direction du chœur d'enfants. Depuis 2004, il dirige régulièrement le Chœur de Radio France pour des concerts a capella ou la préparation de programmes avec orchestre. En septembre 2006, Lionel Sow prend la direction de l'ensemble de la Maîtrise Notre-Dame de Paris (Chœur d'enfants, Jeune Ensemble et Chœur d'adultes).