Den hellige Leo IV var i følge LP fra Roma og sønn av Rodoald, sannsynligvis av langobardisk opprinnelse. Han ble oppdratt som benediktinermunk i S. Martino-klosteret og ble gjort til subdiakon for å tjene ved kurien av Gregor IV. Sergius II opphøyde ham til kardinalprest i Ss Quattro Coronati.
Etter at Sergius II plutselig døde den 27. januar 847, ble Leo allerede samme dag enstemmig valgt til ny pave. Han ble konsekrert seks uker senere uten å vente på den keiserlige godkjennelsen som var krevd i den romerske konstitusjonen av 824. Unnskyldningen som ble brukt, var at krisen etter det nylige sarasenske angrepet gjorde at man ikke kunne vente. Men romerne måtte forsikre at de korrekte prosedyrene skulle følges i fremtiden.
Leo måtte straks ta seg av forsvaret av Roma da sarasenerne angrep Roma på nytt våren 847, og reparere skadene de hadde forvoldt året før. Sjørøverne hadde i august 846 trengt opp Tiberen til Roma og plyndret St. Peters- og Paulusbasilikaene. Keiserens hjelp kom for sent, men Lothar I befalte at Romas murer skulle forsterkes, og pave Leo IV satte umiddelbart i gang dette arbeidet med stor energi. Han fikk penger fra keiseren og arbeidere fra landbrukseiendommene i PatrimoniumPetri. Han gjenopptok også planene fra Leo III og bygde med Lothars hjelp murer rundt Vatikanhøyden med St. Peter, denne forstaden til Roma «på Tiberens høyre bredd», som tidligere hadde vært svært utsatt for angrep der den lå utenfor murene. Vatikanet ble senere kalt Leobyen (Civitas Leonina) etter ham. Disse nye forsvarsverkene ble innviet med en høytidelig prosesjon rundt murene og en messe den 27. juni 852, og de utplyndrede basilikaene lot Leo utsmykke på nytt.
Men mens murene reiste seg, kom det nyheter om at en stor sarasenerflåte ble gjort klar ved Sardinia for å seile mot Roma. Men denne gangen tok italienerne forhåndsregler for å forsvare Den evige by. En samlet flåte fra havnebyene Napoli, Amalfi og Gaeta seilte opp i Tiberen. Siden disse byene i navnet var underlagt østkeisere, lurte romerne på om flåten hadde kommet for å hjelpe dem eller for å angripe dem. Da admiral Caesarius beroliget paven, ledet Leo en romersk hær til Ostia for å slutte seg til flåten. Han feiret messe og ga den hellige kommunion til alle.
I 849 dukket sarasenerflåten opp ved Ostia og ødela havnebyen Centumcellae. Men de muslimske sjørøverne ble påført et stort nederlag i et sjøslag utenfor Ostia, hvor sarasenernes flåte for en stor del ble tilintetgjort.
I 854 gjenoppbygde paven Centumcellae, som var herjet av sarasenerne i 813, på et sikrere sted og kalte den Leopolis (i dag Civitavecchia). Han bygde også en befestet by i Porto nær Tiber-munningen. For å bemanne murene, plasserte han en garnison corsicanske flyktninger der.
Disse og andre suksessrike tiltak måtte nødvendigvis øke Leos prestisje, og i hans pontifikat så man en merkbar heving av pavens autoritet. Utad virket han å rette seg etter de frankiske keiserne, og søkte ofte deres samtykke til bispeutnevnelser og andre rutinepregede saker. Da Lothar stort sett var opptatt andre steder, forholdt Leo seg stort sett til hans sønn Ludvig II (enekeiser 855-75). Etter Lothars ønske kronet og salvet Leo påsken 850 Ludvig II til medkeiser.
Til tross for det tilsynelatende gode forholdet mellom pave og keiser kom det til noen konflikter, fordi begge keiserne gjorde krav på sine rettigheter fra konstitusjonen av 824, mens paven bestrebet en ubegrenset utøvelse av den pavelige autoritet. Han fikk tre keiserlige representanter henrettet for å ha myrdet en av hans legater. På den andre siden mistenkte Ludvig, ikke uten grunn, kretser nær kurien for å huse forræderske ideer.
Først da Lothar merket at døden nærmet seg i 855, ble det slutt på hans maktbegjær og intriger. Like før sin død delte Lothar sitt rike i tre kongedømmer, Provence, Italia og Lorraine, som ble fordelt mellom hans tre sønner. Så gjorde han bot og ble munk. Men bare seks dager senere endte hans syndefulle liv.
På samme tid ble Ludvig den Tyskes rike oppdelt i tre delstater, og Karl den Skallede i to.
Leos autoritære stil ble tydelig i hans behandling av opprørske prelater. Lenge hadde den gamle keiserresidensen Ravenna prøvd å oppnå uavhengighet fra Roma. Den bysantinske keiseren hadde støttet bestrebelsene, og under Leo IV kom det til en ny åpen konflikt. Erkebiskop Johannes (850-61) erklærte seg uavhengig fra Roma og konfiskerte romersk kirkegods. Støttet av keiser Ludvig II kunne paven på en synode i Ravenna tvinge Johannes til å gi etter, men få år senere, i 861, blusset striden opp igjen under pave Nikolas I.
Leo utkjempet også en maktkamp med den mektige frankiske erkebiskop Hinkmar av Reims (845-82), som understreket sine metropolittrettigheter overfor sine suffraganbiskoper. Pave Nikolas skulle senere også få med denne saken å gjøre. Leo nektet hardnakket å etterkomme Lothars krav om å utnevne Hinkmar til apostolisk vikar og å gi palliet til biskopen av Autun, og han intervenerte også på vegne av de bretonske biskopene mot hertug Nomenoë av Bretagne. Leo ekskommuniserte også Anastasius «Bibliothecarius», kardinal av S. Marcello (som snart ble motpave), til tross for at han var støttet av Ludvig II.
Høydepunktet i Leos forfekting av Romas autoritet var hans annullering av synoden i Soissons i april 853, som hadde erklært ordinasjonene utført av erkebiskop Ebo av Reims for ugyldige. Ebo var blitt avsatt, men midlertidig gjeninnsatt i 840/41. Paven krevde et nytt konsil ledet av pavelige legater.
Overfor Konstantinopel tok Leo en hovmodig tone, og irettesatte patriark Ignatius for ikke å konsultere Roma da han avsatte biskopen av Syrakus på Sicilia. I stedet for å godkjenne dommen, innstevnet Leo begge parter til Roma.
Leo var også ivrig etter å gjenskape kirkelig disiplin og innføre reformer når det var nødvendig. Et viktig eksempel var de grundige svarene han sendte i 849 etter en rekke spørsmål fra de britiske biskopene. I 853 ga han en skarp påminnelse til biskop Galerius av Tripoli om at den gammeldagse botsdisiplinene måtte fortsette. Det er bevart dokumenter fra en viktig synode i St. Peterskirken i desember 853, hvor Leo insisterte på fornyelse og styrking av en rekke reformdekreter som var gitt av Eugenius II i 826. I følge LP påbød han at det på høyalteret bare skulle være Evangeliebok, kalk og patena, og ingenting annet. Han forbød altså å plassere relikvieskrin på høyalteret (847?). Han skal ha slukket en brann med korstegn, og er blitt malt av Rafael. Han var den første pave som satte dato på offisielle dokumenter, og han bekreftet venetianernes rett til selv å velge Doge.
Ethelwulf, vestsaksernes konge, sendte sin unge sønn Alfred (849-99) for å bli kronet av pave Leo. Det er sagt at paven i 853 velsignet Alfred som fremtidig konge av England. Paven gjorde Alfred til sin åndelige sønn.
Leo var levende interessert i kirkemusikk, og i 847 innførte han en vigilie- og oktavfeiring for Marias opptakelse i Himmelen den 15. august, den siste besto til 1955. Han restaurerte eller gjenoppbygde mange kirker i Roma, inkludert sitt opprinnelige kloster S. Martino nær St. Peterskirken. Hans samtidige portrett kan ses i den nedre basilikaen S. Clemente.
Leo døde den 17. juli 855 med et stort rykte for hellighet. Han ble gravlagt i Peterskirken, og er tillagt mirakler. Hans minnedag 17. juli er nå sløyfet.