Леонтий Николаевич Бенуа родился 11 августа 1856 года в Санкт-Петербурге. Его отцом был Николай Леонтьевич Бенуа - известный зодчий середины XIX века. Это поспособствовало выбору профессии Леонтием. В 1875 году он поступил в Академию художеств. Его преподавателями стали А. И. Резанов, Д. И. Гримм, А. И. Кракау. Курс обучения в Академии молодым человеком был завершён в 1879 году, за год до положенного срока. При этом Бенуа получил Большую золотую медаль.
Ещё будучи студентом с 1878 года Леонтий Бенуа начал преподавать в школе Общества поощрения художников. Тогда же, до окончания обучения в Академии художеств, молодой зодчий построил башню-бельведер и концертный зал в Озерках. После окончания учёбы Бенуа спроектировал жилые и служебные постройки в имении А. А. Абазы в Киевской губернии. Тогда же он принимал участие в конкурсе на проектирование общежития для студентов Петербургского университета, в котором получил первую премию. Общежитие было построено молодым зодчим совместно с Р. А. Гедике в 1881-1882 годах.
В 1883 году Леонтий Бенуа был принят на должность адъюнкт-профессора в Институт гражданских инженеров, в 1893 году приглашён в Академию художеств руководителем одной из мастерских архитектурного отделения Высшего художественного училища. Два раза зодчий становился ректором этого учебного заведения. Леонтий Бенуа был учителем в будущем таких известных архитекторов как А. Е. Белогруд, Н. В. Васильев, Н. Е. Лансере, Ф. И. Лидваль, М. М. Перетяткович, И. А. Фомин, В. А. Щуко и многих других.
После убийства императора Александра II Леонтием Бенуа на месте покушения была построена часовня. Архитектор участвовал в конкурсе на строительство на этом месте храма Воскресения Христова, но проект в итоге достался А. Парланду.
Первой крупной работой Леонтия Бенуа в Петербурге стал доходный дом В. А. Ратькова-Рожнова (Загородный пр. 39 - Гороховая ул. 79). Здесь Бенуа продолжил реализовывать проект, начатый В. А. Шретером. По схожему проекту зодчий построил свой дом (3-я линия ВО, 20), особняк Е. Ц. Кавоса (Каменноостровский пр. 24 - Большая Монетная ул. 10). Для страхового общества "Россия" Бенуа построил целый жилой комплекс (Моховая ул. 27-29), а также здание правления (Большая Морская ул. 37). Рядом с этим домом по проекту Бенуа было построено и здание Первого российского страхового общества (Большая Морская ул. 40).
На Невском проспекте Леонтием Бенуа перестраивалось здание Волжско-Камского банка, строилось здание Московского купеческого банка (Невский пр. 46).
Бенуа перестраивал здание Придворной певческой капеллы (наб. р. Мойки, 20), построил Дворец выставок (наб. кан. Грибоедова, 2 - Инженерная ул. 2), ставший известным как "корпус Бенуа", католический костёл Нотр-Дам де Франс (Ковенский пер. 7), здание Государственной типографии (Чкаловский пр. 15), жилой комплекс Первого российского страхового общества (Каменноостровский пр. 26-28). Всего в Санкт-Петербурге им было построено около 40 зданий.
Леонтий Николаевич Бенуа скончался 8 февраля 1928 года, был похоронен в некрополе Новодевичьего монастыря. В конце 1950-х годов его прах был перенесён на Литераторские мостки Волковского кладбища.
