Escollit Papa el 26 de desembre del 795, quan era cardenal de Santa Susanna i responsable del tresor pontifici, va ser consagrat l'endemà. Immediatament va comunicar la seva elecció a Carlemany i li envià una carta amb les claus de la tomba de Sant Pere i la bandera de Roma, acció amb la qual reconeixia al rei dels francs com a protector de la Santa Seu.
Lleó pertanyia a una família modesta i com a nou papa no va comptar amb el suport de la noblesa romana; una part dels seus membres, emparentats amb l'anterior pontifici, van organitzar una emboscada durant una processó celebrada el 25 d'abril del 799 en la qual Lleó va resultar ferit, fou formalment deposat i enviat al monestir de Sant Erasme, d'on va aconseguir escapar i reunir-se amb Carlemany a Paderborn, on li va sol·licitar ajuda. El rei dels francs, després de rebre una ambaixada romana que va acusar a Lleó d'adulteri i de fals jurament, va prestar el seu suport a Lleó no reconeixent la seva deposició i escortant-lo fins a Roma.
L'any següent, el 24 de novembre del 800, Carlemany va entrar a Roma on va convocar i presidir un sínode per escoltar els arguments del Papa deposat i dels seus opositors. Durant aquest sínode, Lleó, el 23 de desembre, va prestar jurament afirmant que era totalment innocent dels càrrecs que s'havien presentat contra ell. Dos dies després, el 25 de desembre del 800, el Papa va coronar a Carlemany com a emperador a la Basílica de Sant Pere.
Amb aquest acte, Lleó III inicià una tradició que continuà fins a l'any 1452 amb la coronació de Frederic III, de coexistència d'un emperador d'Orient i un emperador d'Occident, i suposà per a Roma una afirmació de la seva primacia, però també un reconeixement de l'existència d'un poder temporal, diferent del pontifici, que en les següents centúries provocà importants conflictes amb els emperadors germànics.
