Brunon urodził się w rodzinie hrabiów z Egisheim (Alzacja) 12 lutego 1002 r. Miał zaledwie 5 lat, gdy matka oddała go do szkoły i na wychowanie biskupowi z Toul, Bertoldowi. W 18 roku życia został mianowany kanonikiem w Saint-Etienne. Taki bowiem był wtedy zwyczaj. W kilka lat potem otrzymał święcenia kapłańskie. Pełnił obowiązki kapelana cesarskiego na dworze Konrada II. Mając 24 lata został biskupem w Toul. Od razu zabrał się do reformy kleru diecezjalnego i zakonnego. Nie była to sprawa łatwa. Przełożeni byli wtedy mianowani przez cesarzy i panów świeckich, którzy nie zawsze liczyli się z przydatnością kandytatów, dbając o to, by mieć na tych stanowiskach ludzi sobie oddanych. Brunon swoim taktem i zabiegami umiał jednak tak pokierować sprawami, by urzędy duchowne były obsadzane ludźmi godnymi. Zwoływał synody, na których dokonywał zbawiennych reform. Zagrabione przez księcia Vaucouleurs dobra biskupie, kiedy zawiodły wszystkie inne środki, odebrał siłą. W roku 1046 interweniował u cesarza Henryka III za biskupem Lyonu, kiedy ten wpadł w zatarg z cesarzem.

Po śmierci papieża Damazego II w 1048 r. wysłano z Rzymu poselstwo do cesarza Henryka III, by wyraził zgodę na wybór Halinarda, arcybiskupa Lyonu, na papieża. Halinard jednak odmówił przyjęcia godności. W tej sytuacji Bruno w obecności legatów rzymskich został desygnowany na papieża przez Henryka II w grudniu 1048 r. Bruno oświadczył, że przyjmie urząd papieski, jeśli Rzymianie i duchowieństwo jednogłośnie zaakceptują jego wybór. Podkreślił tym samym konieczność wyboru, a nie mianowania. Bruno przybył do Rzymu w stroju pątnika, zdjął sandały i boso udał się do grobu św. Piotra, a Rzymianie i duchowieństwo jednogłośnie - przez aklamację - wybrali go na papieża. Bruno zatrzymał urząd biskupa Toul. Przyjął imię Leon IX i został koronowany w bazylice św. Piotra.

Jego pontyfikat trwał zaledwie 5 lat. Były to jednak lata prawdziwie błogosławione. W tym czasie zreformował życie duchownych oraz kurię rzymską i papieską. Na duchownych, którzy otrzymali urzędy drogą przekupstwa, symonii, nałożono wysokie kary. Biskupów symoniackich złożono z urzędu.

Takie reformistyczne synody przeprowadził papież w Rzymie, Pavii, w Liege, w Trewirze, w Toul, w Reims, uczestnicząc w nich osobiście. W latach 1050-1051 uczestniczył w synodach w Moguncji, w Vercelli, w Salerno, w Benevento itp. Łącznie odbył 12 synodów: w Italii, we Francji i w Niemczech. Przez swoje podróże poza granice Italii manifestował uniwersalny charakter papiestwa i uświadomił, że papież jest zwierzchnikiem wszystkich Kościołów.

Leon IX utworzył także kolegium kardynalskie i wyznaczył mu zadanie - wspomaganie biskupa Rzymu w jego posłudze Kościołowi. Leon IX uważał, że papież powinien osobiście głosić wiarę Kościoła i brać udział w uroczystościach kościelnych

Synod w Rzymie (9-15 kwietnia 1049 r.) zaostrzał kary nakładane na kapłanów nie zachowujących celibatu, a wiernym odradzał korzystania z posług żonatych księży. Na synodzie w Reims (3-4 października 1049 r.) dla papieża zastrzeżono tytuł universalis Ecclesiae primas apostolicus. Na synodzie w Siponto w 1050 r. Leon IX wydał szereg dokumentów skierowanych przeciwko zwyczajom Kościoła wschodniego. Zamiast trójporozumienia między papiestwem, Bizancjum i Niemcami, wymierzonemu przeciwko Normanom, doszło do rozłamu między Kościołem wschodnim a zachodnim. Obawa przed Normanami skłoniła Leona IX do tego, by z częścią wojsk niemieckich, italskich i wspierających go powstańców apulijskich, słabo uzbrojonych i niedostatecznie wyćwiczonych, wyruszyć przeciwko Normanom. Leon IX, dowodząc osobiście wojskami, przegrał bitwę z Normanami pod Civitate i dostał się do niewoli. Po kilkumiesięcznej niewoli ciężko chory papież powrócił do Rzymu. Zmarł niedługo później, 19 kwietnia 1054 r.

Papież Wiktor III w roku 1087 nakazał relikwie św. Leona IX umieścić w podziemiach bazyliki Św. Piotra, w osobnej kaplicy. Kiedy zaś w wieku XVI została wystawiona nowa, obecna bazylika, relikwie św. Leona IX umieszczono pod ołtarzem świętych męczenników Marcjalisa i Waleriusza.