De la vida de Léonin no se sabe absolutamente nada. Su nombre se menciona en un tratado, en realidad apuntes de clase tomados en las conferencias a las que un estudiante inglés anónimo asistió en la Universidad de París alrededor de un siglo después, en la década de 1270. En este tratado se relaciona a Léonin con París y se le elogia como el mejor compositor de organa (ajustes a dos voces de partes solistas de los cantos de la misa y de las horas de oración diarias).

Léonin evidentemente compuso su organa para la catedral de Notre Dame, cuya magnífica estructura de piedra actual se levantó principalmente entre 1163 y 1208. Se ha sugerido que primero fue un niño de coro y luego se convirtió en el maestro de los niños de coro. Esto explicaría el diminutivo de Léo por el que era conocido y también la ausencia de su nombre en la lista conservada de los oficiales superiores de la catedral.

Las obras de Léonin pueden considerarse la cuna de la música artística occidental. Sus organa están arreglados para dos líneas vocales. Una de ellas es la melodía del canto, el cantus firmus, que se presenta en notas de longitud indefinida o, en algunas secciones, en una secuencia de valores de nota definidos; la otra es un descante melódico de nueva composición, una coloratura rítmicamente controlada de gran ingenio, coordinada con el cantus firmus. Aunque el organa ya existía desde antes de Léonin, la separación de estos dos estilos, el «organum puro» -con notas largas de canto- y lo que entonces se llamaba «discant», donde ambas voces tienen un ritmo estricto, fue su creación. También lo fue la notación que utilizó para simbolizar este ritmo, la «notación modal», que sentó las bases de la notación musical tal y como la conocemos. Además, sus obras constituyen el primer repertorio completo de polifonía litúrgica, que, con las configuraciones de un centenar de cantos gregorianos para todas las fiestas importantes del año eclesiástico, se mantuvo en uso durante más de dos siglos y se extendió a todos los países occidentales. Este repertorio formó lo que el anónimo estudiante inglés llamó el Magnus liber organi (Gran Libro de la Organa); se convirtió en un modelo ampliamente imitado.

Léonin también creó una segunda especie de música polifónica, el conductus, un canto procesional. Antes de Léonin ya existían los conducti monofónicos, así como las composiciones esporádicas a dos voces, pero él estableció firmemente la especie polifónica. Los conductus son canciones latinas de contenido muy variado -religioso, político, lírico, de convivencia- que se escuchan a veces en la iglesia y otras en representaciones de dramas litúrgicos, procesiones, banquetes y ocasiones privadas. Los textos poéticos son estrofas, con un ritmo estricto, y se cantan más o menos a una nota por sílaba, con ambas voces moviéndose esencialmente al mismo ritmo, aunque en los finales y comienzos de verso y estrofa se cantan a menudo pasajes a dúo de muchas notas a una sola sílaba.