Primo atto di questo pontefice dopo la sua elezione fu l'invio delle chiavi di S. Pietro e dello stendardo di Roma a Carlomagno, che dal canto suo gl'inviò il missus dominicus Angiberto, con ricchi doni. Pochi anni dopo i nipoti di Adriano I, Pasquale e Campulo, ordinarono contro Leone III una congiura, per la quale egli fu costretto a ritirarsi nel monastero di S. Erasmo e poi a fuggire a Spoleto, indi a Paderborn (Sassonia) presso Carlomagno. L'imperatore lo fece ricondurre con una scorta a Roma, dove egli stesso discese nel 799, il 25 dicembre dell'800, in San Pietro, Leone incoronò e consacrò Carlomagno e suo figlio Pipino.
Nell'809, dal sinodo adunato dall'imperatore in Aquisgrana per la questione della processione dello Spirito Santo fece introdurre la formula: qui ex Patre Filioque procedit.
Morto Carlomagno, fu ordita una nuova congiura (815) contro Leone III, che la represse con l'aiuto di Luigi il Buone, punendone severamente gli autori.
Si hanno di questo papa numerose epistole, fra le quali è notevole quella ad Carolum Magnum