Né au Havre le 8 août 1832, d'une vieille famille normande. Destiné à l'Ecole des Chartes il y fait sa thèse sur La poésie liturgique au Moyen Age (1855), y devient professeur avec un cours sur La poésie latine au Moyen Age. En 1871, on lui donne la chaire de paléographie, qu'il occupa plus de trente ans. Ses études font sensation et parfois équivalent à une révélation: Comment il faut juger le Moyen Age, 1858; L'entrée en Espagne, chanson de geste inédite; Benoît XI, étude sur la papauté au début du XIVeme siècle. En 1866, commence à paraître son ouvrage capital sur Les épopées françaises, qui aura 5 volumes, y compris une Bibliographie des chansons de geste. Cet énorme travail reçut le grand prix Gobert à la fois de l'Académie française et de Académie des inscriptions. Son retentissement fut illimité.
D'autres ouvrages, un Cours d'histoire de la poésie latine au Moyen Age (1866), La chevalerie (1884), Histoire de la poésie liturgique au Moyen Age (1887), La poésie religieuse dans les cloîtres des IXeme et XIeme siècle, et la publication de La Chanson de Roland, qui eut de nombreuses éditions, ont achevé de remettre en honneur notre grande littérature médiévale. Ce renouveau, qui revient sans discussion à Léon Gautier, est aujourd'hui en pleine floraison.
Dans tout ce travail, Léon Gautier ne cachait pas qu'il agissait en catholique. Même dans les milieux officiels, sa foi très vive était très hautement proclamée. Elle lui a inspiré par ailleurs de nombreux ouvrages (au total une centaine) qui sont à la fois de science et d'apologétique. Parmi les plus importants, il faut citer: Voyage d'un catholique autour de sa chambre, 1862, avec de curieuses réflexions sur les livres; Etudes littéraires pour la défense de l'Eglise, 1865; Etudes et controverses historiques, 1866; Portraits comtemporains et questions actuelles, 1873; Vingt nouveaux portraits, 1878; tous ces ouvrages sont en quelque sorte, couronnés par une étude sur La littérature catholique et nationale, 1894, où il souhaite une histoire propre de la littérature catholique; il l'aurait fait commencer d'ailleurs avant Jésus-Christ.
Léon Gautier a écrit pour l'Oeuvre des cercles catholiques d'ouvriers, dont il était l'un des fondateurs, divers ouvrages dont: Appel aux ouvriers, 1873; Histoire des corporations ouvrières, 1874; Histoire de la charité, 1874. Il a collaboré au Croisé, de Georges Seigneur et d'Hello, à la Revue du monde catholique, la Revue des questions historiques, la Bibliothèque de l'Ecole des chartes. Il disait qu'il fallait avoir du Moyen Age la religion et non la superstition. Il ajoutait que le Moyen Age n'était pas assez chrétien pour que nous en fassions notre unique idéal.
Très charitable (on l'a nommé "le Miséricordieux"), son esprit, bien que très attaché à une tradition absolue, cherchait à faire comprendre plutôt qu'à imposer. " Paix et charité, disait-il, c'est l'esprit de toute notre oeuvre." Il est mort le 25 avril 1897.