L .Virbalas gimė 1961 m. liepos 6 d. Biržuose katalikiškoje šeimoje.
1979 m. baigęs Biržų 2-ąją vidurinę mokyklą, dvejus metus studijavo Vilniaus inžineriniame statybos institute (šiuo metu Vilniaus Gedimino technikos universitetas).
1981-1983 m. jis atliko karinę tarnybą sovietinėje armijoje. 1983 m. stojo į Tarpdiecezinę Kauno kunigų seminariją, bet dėl sovietinės valdžios trukdymo seminarijos vadovybė jo negalėjo priimti.
Daugiau kaip dvejus metus dirbo zakristijonu Linkmenyse Ignalinos rajone ir studijavo filosofiją bei teologiją pogrindinėje kunigų seminarijoje.
1986 m. buvo priimtas į Kunigų seminariją, o 1989 m. įstojo į Jėzaus Draugiją. Naujokyną atliko tęsdamas studijas seminarijoje, nes tuo metu vienuolijos dar negalėjo veikti viešai.
1991 m. gegužės 30 d. buvo įšventintas kunigu ir išvyko į Romą tolesnėms studijoms. Studijavo dvasingumo teologiją Popiežiškajame Grigaliaus universitete Romoje, o 1994 m. gavo teologijos licenciato laipsnį. Studijų metais bendradarbiavo Vatikano radijuje.
Nuo 1994 m. vienerius metus dirbo jėzuitų naujokų vadovo padėjėju Austrijoje ir lankė Šventojo Rašto egzegezės paskaitas Insbruko universiteto Katalikų teologijos fakultete.
1995-1997 m. buvo Kauno jėzuitų namų vyresnysis ir Šv. Pranciškaus Ksavero bažnyčios rektorius, dėstė Kauno kunigų seminarijoje.
1997 m. išvyko į Salamanką Ispanijoje, kur atliko baigiamąją jėzuitų ugdymo programą. 2003 m. davė galutinius įžadus Jėzaus Draugijoje.
1998-2005 ir 2008-2010 m. buvo Vilniaus Šv. Kazimiero bažnyčios rektoriumi, 1998-2005 m. Vilniaus Šv. Juozapo kunigų seminarijoje dėstė dvasingumo teologiją.
2005-2008 m. dirbo Lietuvos Vyskupų Konferencijos Generalinio sekretoriaus padėjėju. 2009 m. paskirtas koordinuoti „Liturginių valandų" vertimą į lietuvių kalbą.
2005 m. apdovanotas Sausio 13-osios atminimo medaliu.
Buvo „Bažnyčios žinių" redakcinės kolegijos, Vilniaus arkivyskupijos kunigų tarybos ir Visuotinės Lietuvių enciklopedijos mokslinės redakcinės tarybos narys.
2010-2013 m. ėjo Popiežiškosios Rusų kolegijos Romoje rektoriaus pareigas.
2013 m. birželio 6 d. Popiežius Pranciškus paskyrė jį Panevėžio vyskupu. 2013 m. rugpjūčio 10 d. Jo Ekscelencija L. Virbalas buvo konsekruotas vyskupu Panevėžio katedroje.
Be gimtosios lietuvių dar moka italų, ispanų, rusų ir vokiečių kalbas.
Yra išvertęs ir parengęs keletą knygų, paskutinė jų – „Šventoji Žemė“.
