Своим главным учителем в орнитологии считал Е.П. Спангенберга, к которому в 1953 г. впервые обратился за консультацией по составлению оологической коллекции. Владимир Владимирович начал ездить в дальние экспедиции с 1954 г. В 1955–1957 гг. вместе с Е.П. Спангенбергом он изучал птиц восточного побережья Белого моря. Были поездки в Приморье, Узбекистан, Таджикистан, Восточный Таймыр, на Кольский п-ов, Армению, Азербайджан, Туркмению, на Чукотку, Кавказ, Байкал и множество других. Последняя его экспедиционная поездка состоялась в Даурию в 1994 г. По результатам полевых работ самостоятельно и в соавторстве с другими орнитологами были написаны статьи по фаунистике, зоогеографии, экологии, систематике и филогении птиц (около 80 научных работ по орнитологии). Об умении В.В. Леоновича находить гнезда ходят легенды. Подавляющее большинство кладок птиц в его коллекции (более 2 000 гнезд с кладками 500 видов птиц) были найдены и обработаны самим Владимиром Владимировичем. Обладал идеальным музыкальным слухом. В России и зарубежье известен как знаток голосов птиц. Совместно с Б.Н. Вепринцевым собрал записи голосов птиц, которые легли в основу многосерийного издания на пластинках «Птицы СССР. Определитель по голосам». До своих последних дней В.В. Леонович являлся главным специалистом Фонотеки голосов животных РАН.