W 1948 roku przeprowadził zabieg resekcji przełyku, osierdzia i podwiązania na stałe przewodu tętniczego (zwanego przewodem Botalla). Pięć lat później, w roku 1953, razem z Janem Mollem dokonał zwężenia ujścia żylnego lewego, a w 1954 roku z Janem Kossakowskim przeprowadził zabieg zwężenia ujścia aorty. W 1955 otrzymał Nagrodę Państwową II stopnia za osiągnięcia w leczeniu chirurgicznym chorób serca i dużych naczyń krwionośnych. Przeprowadzając operacje na otwartym sercu związane z korektą wrodzonych i nabytych wad serca, od 1959 roku stosował krążenie pozaustrojowe. Kierowana przez niego klinika była miejscem, gdzie po raz pierwszy w Polsce zastosowano urządzenie zwane płucosercem. W 1967 roku przygotowywał do operacji wstawienia sztucznej zastawki poetkę Halinę Poświatowską.
Leon Manteuffel-Szoege był członkiem Francuskiej Akademii Chirurgicznej i wielu zagranicznych towarzystw naukowych. W roku 1964 otrzymał doktorat honoris causa Uniwersytetu Jagiellońskiego. Był autorem ok. 130 prac naukowych dotyczących antropologii, onkologii i chirurgii. Część prac o charakterze filozoficznym przedstawiała poglądy Leona Manteuffla-Szoegego na temat etyki lekarskiej, pracy klinicysty i działalności społecznej.