立奥三世于公元680年出生在叙利亚一个平民家庭，早年随双亲迁居色雷斯。父亲因善于经营畜牧业而致富。立奥三世虽然出身寒门，但从年轻时代起就志向远大，从不妄自菲薄。由于他才华出众，曾被一个犹太预言家誉为当罗马皇帝的人。
青少年时期，立奥没有受过多少教育，一直随父经营畜牧业。一次偶然的奇遇改变了他的一生。立奥在放羊时，结识了征战途中忍饥挨饿的拜占廷皇帝查士丁尼二世。
他将羊群送给了皇帝，皇帝大喜，立奥的义举，解决了拜占廷军队的困难。查士丁尼二世让他做了随从。从此，立奥官运享通，几年之后，就当上了小亚细亚最大行省安那托里亚的总督。立奥羽翼渐丰之后，于公元717年利用帝国政乱之机，一举夺得皇位，史称立奥三世。
立奥三世执政后，面临的最大危险便是阿拉伯人在他称帝的第一年，阿拉伯的哈里发派伊斯兰教首领之一——摩斯拉玛率兵8万从陆路进攻君士坦丁堡；又派战舰1800余艘从海路围攻君士坦丁堡。拜占廷帝国处境万分危急。
立奥三世临危不惧，采取以守为攻的战略，拖住敌军达一年之久，使阿拉伯将士叫苦不迭。同时，立奥三世接受了一名炼丹士的建议，用硝石、硫磺、石油等物混合成一种可在海面上燃烧的液体，取名“希腊火”。拜占廷军队用这种神奇之火，偷袭阿拉伯人的舰队，大获全胜，不计其数的阿拉伯战船中火沉没。据说，阿拉伯的1800只舰船最后幸存的只有十只。
阿拉伯在立奥的沉重打击之下，不得不退兵，拜占廷帝国转危为安。立奥三世因为这一仗，成了人们心目中的英雄，被臣民们视为帝国的救星。
外患消除后，立奥三世开始致力于整顿帝国内部。帝国要铲除国内的混乱状态，必须加强军事力量，而武装力量的加强，又离不开对将士们的物资奖励，尤其是土地的奖赏。由于国家掌握的土地日益减少，帝国决定广泛征用教会的地产来奖赏军事贵族和士兵，结果激化了教会与帝国之间的矛盾。当时，教会十分富有，教会的土地竟占帝国土地的一半左右，修道士多达十几万人之多。当时的一本经书记载，人类分为两半，一半是僧侣，一半是俗人。在这种形势下，不打击教会的势力，所需大量土地和军费就无法筹集。因此，立奥三世颁布敕令禁止供奉圣像，以反对偶像崇拜为借口，没收教产，强迫修道士还俗，负担国家的赋税。被没收的教产大部分被封建军事贵族占有。结果，封建化的步伐加快了。
立奥三世遭到了教会的强烈反对，罗马教皇也出面干涉，甚至于731年宣布开除立奥三世的教籍。立奥三世并没有向教皇的压力屈服，他立即做出反击，断然没收了教皇在南意大利的征税权，并剥夺了教皇对伊里利亚地区的管辖权，教皇的嚣张气焰被压了下去。
在此期间，皇帝为了加强中央政权，压制地方豪强，推行了监领地制度，也称之为“普洛尼亚制”。其内容类似西欧的采邑制：帝国政府把国家和农村公社的土地赏赐给公职贵族监领，接受监领地的封建贵族必须服军役，并按监领地的大小提供一定数量的兵员，构成帝国军事力量的主要成分。最初监领人只把领地内一部分国家税收供自己享用，并无政治上的特权，后来，又取得司法、行政等权力。监领人在领受土地的同时还取得了对领地上农民的支配权。农民向监领人缴纳代役租，并服劳役，丧失了人身自由。这种制度加速了拜占廷农村公社的瓦解和自由农民的农奴化，使拜占廷的封建关系最后确立了。
741年6月18日，立奥三世驾崩于君士坦丁堡，葬于君士坦丁堡的大教堂中。他虽然出身平民，却为历史做出了巨大的贡献。