Σημαντικότατη ήταν η συμβολή του στις εργασίες της Δ' Οικουμενικής Συνόδου, όταν απέστειλε τέσσερις αντιπροσώπους, ως και επιστολή στην οποία με πλήρη ακρίβεια και βάσεις της αποστολικής παραδόσεως, καθόριζε τις δύο φύσεις του Χριστού, η οποία βοήθησε στη διεξαγωγή των συζητήσεων ως και στη συγγραφή των τελικών όρων της Συνόδου (για την ακρίβεια η επιστολή του Αγίου Λέοντος είχε σταλεί τρία χρόνια πριν στον Πατριάρχη Κωνσταντινουπόλεως Φλαβιανό (βλέπε 16 Φεβρουαρίου) και ανεγνώσθη στη Σύνοδο. Είναι δε γνωστή ως «Τόμος τοῦ Λέοντος»).
Παράλληλα υπήρξε και συγγραφεύς πολυγραφότατος. Σήμερα, σώζονται αρκετές επιστολές, γραμμένες με πλήρη γλαφυρότητα αλλά και δύναμη λόγου.
Εκοιμήθη οσιακά σε βαθύτατο γήρας στις 10 Νοεμβρίου 460 μ.Χ. και η Σύναξή του ετελείτο στη Μεγάλη Εκκλησία.
Υπάρχει όμως και μια άλλη εκδοχή της βιογραφίας του, αυτή του Σ. Ευστρατιάδη. Σύμφωνα με αυτήν, ο Άγιος Λέων γεννήθηκε στην Ρώμη στα τέλη του 4ου μ.Χ. αιώνα. Διετέλεσε διάκονος των Πάπων Καλλίστου και Σήξτου πριν ανεβεί στον θρόνο την 29η Σεπτεμβρίου του 440 μ.Χ. Υπήρξε από τους απολυταρχικότερους Πάπες και υποστήριξε με πείσμα το παπικό πρωτείο. Την αγιοκατάταξη του την οφείλει στην επιστολή που έστειλε στην Δ' Οικουμενική Σύνοδο εναντίον των Μονοθελητών και Μονοφυσιτών και η οποία έχει δεκτή με ενθουσιασμό από τους παρευρεθέντες πατέρες. Κοιμήθηκε στις 10 Νοεμβρίου του 460 μ.Χ.
