Après avoir étudié le violon au Conservatoire Supérieur de Paris puis auprès d'Annie Jodry à l'École Nationale de Musique de Fresnes, Lionel Sow se tourne vers la direction de chœur. Sa formation musicale au Conservatoire National Supérieur de Musique de Paris est couronnée par de nombreux premiers prix : harmonie, contrepoint, fugue (dans la classe de Thierry Escaich), direction de chœur, direction de chant grégorien, écriture et contrepoint. Il obtient le Certificat d'Aptitude à ladirection d'ensembles vocaux en 2005.

Parallèlement à des études de chant avec Nicole Fallien et de direction d'orchestre avec Jean-Jacques Werner, il est amené à diriger plusieurs ensembles vocaux : la Maîtrise des Petits Chanteurs de Saint-Christophe ; l'ensemble vocal Les Temperamens et la Maîtrise de Notre-Dame de Paris où il assure la direction du Chœur d'enfants en devenant l'assistant de Nicole Corti. Il prend la direction artistique de cette formation en 2006.
Depuis 2004, il dirige régulièrement le Chœur de Radio France et collabore avec de nombreux ensembles : l'Orchestre de chambre de Paris, l'ensemble Doulce Mémoire, les Paladins, la Maîtrise de Radio-France, le Chœur de l'Armée Française, Sequenza 93 et les chefs d'orchestre Manfred Honeck, Myung-Whun Chung, Fabio Biondi, Reinhard Goebel, Alexander Vedernikov, John Nelson, Jacques Mercier... Avec la Maîtrise de Notre-Dame ou le Chœur de Radio-France, il participe aux concerts du Festival Présences ainsi qu'aux Chorégies d'Orange, Festival de la Chaise-Dieu, Festival de Lessay.

Il enseigne la direction de Chœur durant des stages et intervient auprès du département de musique ancienne et de la classe de direction d'orchestre du Conservatoire de Paris.