Po studiach za granicą przybył w 1910 do Lwowa, by zrobić doktorat na tamtejszym uniwersytecie, gdzie kierownikiem katedry filozofii był Kazimierz Twardowski. Uczęszczał tam też na wykłady z matematyki Józefa Puzyny i Wacława Sierpińskiego. W 1912 uzyskał stopień doktora filozofii na podstawie pracy Przyczynek do analizy zdań egzystencjalnych. Podróżował następnie po Europie, odwiedzając wiele uniwersytetów i tworząc rozprawy traktujące o znaczeniu i prawdzie.
Następnie przez dwa lata uczył w jednym z warszawskich gimnazjów. W czasie I wojny światowej, w 1915, Leśniewski wyjechał do Rosji i do 1918 roku przebywał w Moskwie, gdzie uczył matematyki, m.in. w dwóch polskich gimnazjach żeńskich. Wykładał też logikę na moskiewskich Kursach Wyższych. W młodości sympatyzował z radykalną lewicą i przez pewien czas należał do SDKPiL, a decyzja o spędzeniu wojny w Rosji miała po części podłoże polityczne. Po rewolucji październikowej odrzucił socjalizm. W 1918 wrócił do Warszawy i został członkiem założonego w 1915 roku Warszawskiego Instytutu Filozoficznego. Należał do komitetu redakcyjnego czasopisma Fundamenta Mathematicae, wydawanego od 1920 roku.