По собственному признанию, никаких подвигов на фронте он не совершал, занимался строительством и восстановлением мостов и дорог для прохождения частей. Демобилизовался в 1945 году в звании старшего лейтенанта. 

После войны поступил на художественный факультет института кинематографии (ВГИК), отделение мультипликации. Дипломной работой стал первый в истории ВГИК диафильм «Руслан и Людмила». Для него Владимирский сделал 80 цветных рисунков и снял их на плёнку. Его заметили и пригласили работать главным художником на студию «Диафильм», где им в течение трёх лёт были созданы серии из 400 иллюстраций для 10 лент.  

В 1953 году для диафильма «Приключения Буратино» по сказке Алексея Толстого художник создал свой образ деревянного героя в полосатом колпачке — образ, ставший общеизвестным и считающийся классическим. Героя он срисовывал с дочки — тогда ей было пять лет. Из картона вырезал длинный нос и прикреплял его на резинке, на голову надевал полосатый колпачок. 

После выхода книги «Приключения Буратино» в 1956 году Владимирский посвятил себя иллюстрированию книг для детей. Следующей широко известной работой художника стали иллюстрации к шести сказочным повестям Александра Волкова, первая из которых — «Волшебник Изумрудного города» — вышла в свет в 1959 году.  

В своей работе Леонид Владимирович следовал теории что всех страшных персонажей в детских сказках нужно только немножко делать страшными, а по большей части — смешными. Ведь сказки существуют не для того, чтобы пугать, а для того, чтобы придавать сил и питать надежду. 

Среди работ художника — иллюстрации к поэме Александра Пушкина «Руслан и Людмила», к повести Юрия Олеши «Три толстяка», к «Приключениям Петрушки» Маргариты Фадеевой и Анатолия Смирнова, «Путешествию “Голубой стрелы”» и "Чиполлино" Джанни Родари, сборнику «Русские сказки» и сборнику «Умная Марсела». 

Суммарный тираж книг, изданных с иллюстрациями Леонида Владимирского, превышает 20 млн экземпляров.  

Занимался Леонид Владимирович и литературной деятельностью. Он автор и иллюстратор продолжения сказки про Буратино «Буратино ищет клад» и продолжения сказок про Буратино и Волшебную страну — «Буратино в Изумрудном городе». 

О своих путешествиях им была написана книга «Австралия. Путевой альбом» с его зарисовками. Также были изданы небольшая книга стихов «От восхода до заката» и сборник рассказов «Записки художника». 

На протяжении всей своей долгой жизни (а он скончался в 2015 году, всего несколько месяцев не дожив до своего 95-летия) Леонид Викторович вёл активную общественную работу, неоднократно участвовал в работе жюри конкурсов детского рисунка, с удовольствием выступал в школах и библиотеках, был председателем правления продюсерского центра «Друзья Изумрудного города». Шесть лет он руководил изостудией в Российской государственной детской библиотеке (РГДБ).  

В 2006 году Леонид Викторович был награждён орденом Буратино «За смелость и присутствие духа, проявленные на фронтах Великой Отечественной войны, за верность идеалам детства, создание классического образа Буратино и художественных творений, воспитывающих у детей внутреннюю свободу, чистоту помыслов и уверенность в собственных силах». 

За выдающиеся заслуги в области развития и популяризации художественной культуры в мае 2014 года Леониду Владимирскому присвоено звание «Почетный член Академии художеств России».