Leon był rzymianinem, synem niejakiego Radualda. Wychował się w klasztorze św. Marcina przy bazylice św. Piotra. Papież Grzegorz IV wezwał go na Lateran i uczynił subdiakonem. Sergiusz II wyświęcił go na kapłana, potem uczynił kardynałem. Gdy Sergiusz II zmarł (847), Leona jednogłośnie obrano jego następcą. Liber Pontificalis wychwala jego cierpliwość, pokorę, dobroć, umiłowanie sprawiedliwości, przykładanie się do studiowania Pisma świętego, ewangeliczną prostotę, miłość ku ludziom.
Zajmował się ozdobą kościołów rzymskich, dla obrony przed Saracenami kazał odnowić dawne fortyfikacje i z tą samą myślą zmobilizował oddziały, a z flot Neapolu, Amalfi i Gaety zdołał stworzyć ligę, która pobiła napastnika. W 850 r. namaścił na króla Italii Ludwika, syna cesarza Lotara I, ale wystrzegał się uzależnienia swej władzy od potęg świeckich. Niezależność okazał także wobec Hinkmara z Reims, uchwał synodu w Soissons oraz decyzji patriarchy konstantynopolitańskiego. W 853 r. przewodniczył u Św. Piotra synodowi, zmierzającemu do umocnienia dyscypliny wśród kleru i przy zawieraniu małżeństw.
Papież zmarł 17 lipca 855 r. i pod tym dniem wpisany został do Martyrologium Rzymskiego. Został pochowany w bazylice św. Piotra.