Cependant, sa carrière de peintre l’emmène loin de la capitale sundgauvienne. Il s’installe d’abord à Belfort pour suivre ses études secondaires, puis à Paris pour préparer les Beaux-Arts. Il intègre alors l’atelier de Gustave Moreau. A cette époque, Lehmann se distingue par ses dessins très vifs et par son goût pour les soldats en manœuvre. Mais, le peintre est en pleine évolution et penche vers le fauvisme, avant de laisser le cubisme pénétrer ses compositions. En 1921, après avoir suspendu son activité pour cause de méningite, Lehmann se remet réellement à la peinture dans un style assez sévère. Puis, son œuvre évolue vers plus de finesse et de spiritualité. Il peint des natures mortes, des paysages ou des scènes d’intérieur. Pendant l’occupation allemande, Lehmann ralentit son activité et ne se remet à la peinture qu’à la Libération. A cette époque, son talent s’épanouit pleinement, laissant entrer la lumière dans ses toiles. A la fin de sa vie, la palette de Léon Lehmann s’illumine de plus en plus, dans une facture proche de l’abstraction. Il meurt le 5 novembre 1953 alors qu’il achève le décor de la chapelle de Voiron en Haute-Savoie.