Tra la morte di Damaso II e l'elezione del suo successore passò un po' di tempo di "sede vacante", perché Enrico III non trovava una persona che gli andasse a genio e neppure chi accettasse il peso di una simile carica; era impegnativa quanto mai, nell'aria di rinnovamento della Chiesa che da più parti si auspicava, secondo i desideri dello stesso imperatore.
Infine la sua scelta cadde sul vescovo di Toul, l'alsaziano Brunone dei conti di Egisheim-Dagsburg, nato verso il 1002, persona animata da una pia volontà riformistica; alcuni biografi riferiscono che egli accettò a condizione che la sua elezione fosse confermata a Roma dal clero e dal popolo per salvaguardarsi dall'accusa di aver illegalmente occupato il trono pontificio. Vera o falsa la notizia, è sintomatico che il suo arrivo a Roma nel febbraio del 1049 in vesti così umili riuscì nello scopo principale che quella condizione sottintendeva; l'essere ben visto dalla cittadinanza così avvezza negli ultimi tempi a rivolte contro la persona del suo vescovo.
E Brunone fu accolto come un santone dal popolo, che si recò in massa in processione a porta Latina; la conferma della sua elezione fu un'acclamazione unanime. Il 12 febbraio 1049 Brunone veniva consacrato papa col nome di Leone IX.
Per la grande opera di riforma, a cui voleva dedicare il proprio pontificato, chiamò intorno a sé gli uomini più eminenti del mondo ecclesiastico di allora; a cominciare da Ildebrando di Soana, che fattosi monaco a Cluny, dopo la morte di Gregorio VI, era stato chiamato da Leone IX al suo fianco già nel viaggio verso Roma. Fu ordinato suddiacono e gli venne affidata l'amministrazione dell'abbazia di San Paolo. Egli sarebbe stato l'autentico rinnovatore della Chiesa, con la carica effettiva, si può dire, di "ministro plenipotenziario" di altri quattro papi, ovvero di "segretario di Stato", secondo un termine più moderno.
Gli altri collaboratori chiamati a Roma dal nuovo papa furono: il monaco Umberto dell'abbazia di Moyenmontier, che fu suo compagno di viaggio e spesso ambasciatore; l'arcidiacono Federico di Lorena, che sarà poi papa col nome di Stefano IX, assunto come bibliotecario; l'abate Ugo Candido; tutti uomini liberi da legami politici, desiderosi di cooperare alla riforma delle condizioni del clero e del papato. Uomini con cui egli gettò le basi di quello che sarebbe stato il "collegio dei cardinali", quasi una corporazione che stava dalla parte del papa ciecamente appoggiandolo nel governo delle cose ecclesiastiche.
Senza contare poi l'appoggio di altre personalità, come l'abate Ugo di Cluny, l'arcivescovo Alinardo di Lione e Pier Damiani, priore di Fonte Avellana, presso Gubbio: pur lontani da Roma essi ebbero continui scambi con Leone IX, destinato a condurre in porto l'opera prefissata con continui viaggi, tanto che nei suoi cinque anni di pontificato finì per risiedere a Roma pochi mesi, proprio perché volle intervenire personalmente là dove occorreva l'opera apostolica della sede di Roma, tenendo concili in Italia, Francia e Germania, primo vero autentico "papa viaggiante" della storia.
Nel suo primo concilio tenuto a Roma, poche settimane dopo la sua consacrazione, rinnovando i decreti di Clemente II contro la simonia, depose parecchi vescovi riconosciuti appunto come simoniaci; rammentò inoltre con particolare impegno i canoni contro il concubinato dei preti. Visitò quindi il nord dell'Italia e in un altro concilio a Pavia rinnovò i decreti romani; da lì si recò in Germania e s'incontrò con Enrico III a Colonia, pronunciando l'anatema contro il duca Goffredo di Lorena e il conte Balduino di Fiandra perché si erano ribellati all'imperatore.
Nell'ottobre sempre del 1049 era già a Reims per consacrare la chiesa di San Remigio e riunire un concilio nel quale stabilì dodici canoni tendenti a sradicare simonie e concubinati di ecclesiastici in terra di Francia. Ad esso fece seguito un concilio a Magonza, tenuto con Enrico III, nel quale furono rinnovate le leggi contro il concubinato dei preti e la simonia nelle diocesi germaniche. Ma seguirono altri concili ancora e sempre tendenti a controllare le situazioni che venivano verificandosi nei vari territori, quasi ad istituire una sorta d'ispezione continua sulla moralità del mondo ecclesiastico e di riflesso su quella pubblica.
Leone IX dovette occuparsi anche dell'eresia del canonico di Tours, Berengario, che negava la presenza di Cristo nell'eucarestia; scomunicato una prima volta in un concilio romano dell'aprile del 1050, fu condannato in diversi successivi concili, finché Berengario si presentò ad un concilio tenuto a Tours nel 1054, sotto la presidenza di Ildebrando di Soana, e sottoscrisse la formula cattolica, rinunciando alle sue idee eretiche.
Sotto il pontificato di Leone IX si rinnovarono le discussioni relative allo scisma con la Chiesa d'Oriente, fautore il nuovo patriarca Michele Cerulario; questi accusò i cristiani che seguivano la liturgia romana di eresia e ordinò la chiusura dei monasteri e delle chiese latine di Costantinopoli. Leone IX protestò nel gennaio del 1054, facendo osservare la tolleranza esistente in Italia nei confronti dei monasteri greci e della loro liturgia. L'imperatore Costantino IX si mostrò, al contrario del suo patriarca, più accondiscendente e rispettoso della dignità del papa, per cui Leone spedì a Costantinopoli un'ambasceria per trattare la vertenza; ma i legati furono ricevuti con freddezza da Cerulario e dai monaci, per quanto l'imperatore si prestasse a render loro tutti gli omaggi dovuti. Leone IX era già morto, quando i suoi ambasciatori il 16 luglio scomunicavano Cerulario in un concilio nella chiesa di Santa Sofia, al quale il patriarca rispondeva scomunicando il papa. Lo scisma dunque restava e si consolidava.
Ma Leone IX non si occupò soltanto della riforma ecclesiastica; finì anche lui, uomo votato
così fervidamente al carattere religioso della sua carica pontificia, per occuparsi del potere temporale. L'occasione gliela offrì indirettamente Enrico III, che a Worms nel 1052 assegnava in donazione alla Chiesa di Roma la città di Benevento e altri paesi dell'Italia meridionale. Era uno stimolo a rafforzare le pretese pontificie verso il sud, là dove, indebolitosi il dominio bizantino, si veniva però affermando quello dei Normanni.
Questi costituivano indiscutibilmente un pericolo costante per una città come Benevento,
perché Enrico III aveva ceduto parte del ducato anche a loro; i Beneventani si sentivano indifesi, temevano prima o poi di cadere sotto il loro dominio e invocarono l'intervento del papa. E un fatto che i Normanni facevano scorrerie nei dintorni della città, tese fondamentalmente però a difendere i territori conquistati a prezzo di battaglie e sacrifici, contrariamente ai papi che sbandieravano atti di donazione imperiale, ritenuti dai Normanni usurpazioni e null'altro. .
Così Leone IX si vide costretto a chiedere aiuto militare all'imperatore, che nel febbraio del 1053 tornava in Italia con un esercito, in verità modesto, costituito da Tedeschi e avventurieri, anche se accompagnato da un uomo d'arme come Goffredo di Lotaringia. Radunò altre milizie in Italia e si mostrò fiducioso, perché i Normanni, nel frattempo scomunicati per aver operato contro territori della Chiesa, mostrarono di voler evitare lo scontro e concludere la vertenza con un trattato di pace, memori principalmente dell'alleanza stabilita anni prima
con il papa Benedetto VIII. Riccardo di Aversa e Roberto il Guiscardo
erano propensi a giurare obbedienza al papa e a pagare un tributo alla Chiesa; volevano insomma evitare, da cristiani come profondamente si sentivano, uno scontro con colui che consideravano prima di tutto il vicario di Cristo.
Ma il papa si rifiutò di trattare, fiducioso nella vittoria; e invece egli andò incontro ad una memorabile disfatta, il 18 giugno del 1053, a Civitate nella Capitanata, a sud del Gargano. Fu fatto prigioniero. I Normanni, cinque giorni dopo la battaglia, lo condussero a Benevento, ma lo tennero sotto la loro custodia per tutto l'inverno. Fu questa una sconfitta che pesò enormemente sulla fama di papa santo e venerato che Leone IX si era creato; il padre di tutti i cristiani aveva preso la spada contro dei ferventi seguaci di Cristo. Facilmente la voce popolare poteva affermare che in quella sconfitta era visibile la punizione di Dio.
Ildebrando di Soana non poté essergli vicino in quei tristi momenti,
impegnato a Tours nella presidenza di quel concilio che riuscì a riportare a miti consigli l'eretico Berengario. Il 12 marzo del 1054 Leone IX è lasciato finalmente libero dai suoi carcerieri; ha tolto loro la scomunica e in pratica i Normanni ottengono il riconoscimento delle loro conquiste territoriali, anche se in termini che non ci sono chiari dalle fonti.
Il 3 aprile il papa arriva a Roma; è un uomo deluso, ammalato e, sentendosi prossimo alla fine, si fa portare in Laterano, dove muore il 19 aprile del 1054; fu sepolto in San Pietro.