Il fut en classe de mathématiques spéciales au lycée Louis-le-Grand avec Évariste Galois.
Entré à l’École polytechnique en 1829, Léon Lalanne en sortit ingénieur des ponts et chaussées et se fit bientôt remarquer par plusieurs inventions ou perfectionnements ayant pour but d’abréger les opérations des calculs, notamment l'épure de Lalanne, un graphique permettant d'optimiser le profil en long pour la construction d'une route neuve. Il s’intéressa très vite aux chemins de fer et fut l’un des constructeurs de la ligne de Sceaux (1846).
Il fut directeur de l'Ecole des ponts et chaussées.
Ayant pris sa retraite en 1881, Léon Lalanne s’intéressa alors à la politique. Soutenu par la gauche modérée, il fut élu sénateur inamovible en mars 1883. En 1882, Lalanne est nommé président du conseil d'administration de la Compagnie générale des Omnibus, qui détient alors le monopole des voitures et transports en commun à Paris.
Elu académicien libre de l'Académie des sciences le 3 février 1879.