Ohne Schulabschluss und reguläres Studium beschäftigte sich F. seit seiner Jugend mit Afrika und entwickelte aus dem Studium afrikanischer Museumsstücke seine Lehre von „Kulturkreisen“ (1897), nach der ein innerer Zusammenhang zwischen materiellen, geistigen und sozialen Formen eine Kultur wie einen Organismus prägt. Belege für diese Theorie suchte F. auf sieben z. T. mehrjährigen Forschungsreisen (1904-15) nach West- und Nordafrika. Im Auftrag mehrerer Museen (Hamburg, Leipzig, Berlin), finanziert auch durch das Reichskolonialamt und durch Kaiser Wilhelm II. persönlich, sammelte er zahllose Kulturgegenstände und popularisierte die Ergebnisse seiner Reisen in vielen Veröffentlichungen. Mit seinem „Afrika-Archiv“ (thematisch geordnete Auszüge aus Afrika-Literatur; Bildsammlung; umfangreiche Bibliothek) siedelte F. 1920 nach München um, gründete dort zusammen mit Oswald Spengler das von privaten Spendern getragene „Forschungsinstitut für Kulturmorphologie“. Gedanken Spenglers und der Lebensphilosophie verbindet F. in seinem theoretischen Hauptwerk „Paideuma“ (1921) mit seiner eigenen Kulturkreislehre zu einer „Kulturmorphologie“. Danach sind Kulturen geistige Strukturen, die wie lebendige Wesen biologische Wachstums- und Alterungsprozesse durchlaufen.
Mit diesem Denken in Kategorien von „Intuition“ und „Schicksal“ passte F. zu den Vertretern einer elitären „Gegenmoderne“ an der Ffter Universität. Oberbürgermeister Landmann und die Professoren Karl Reinhardt, Walter F. Otto und Hermann Lommel boten ihm 1924 eine Übersiedlung nach Ffm. an. Gegen Widerstand aus anderen Fakultäten wurde dem Außenseiter ein Gebäude für sein „Institut für Kulturmorphologie“ und dessen Sammlungen zur Verfügung gestellt: das Palais Thurn und Taxis, ehem. „Bundespalais“, Große Eschenheimer Straße 26. Das Afrika-Archiv wurde von der Stadt über die Stiftung des Kaufmanns und Stadtverordneten Karl Kotzenberg 1925 angekauft, und der Nicht-Akademiker F. erhielt einen Lehrauftrag für Völker- und Kulturkunde an der Ffter Universität. Ergebnisse seiner Reisen veröffentlichte er in: „Atlas Africanus“ (zur geografischen Verbreitung von Kulturelementen, 1921-29); „Erlebte Erdteile. Ergebnisse eines deutschen Forscherlebens“ (7 Bde., 1925-30); „Hadschra Maktuba. Urzeitliche Felsbilder Kleinafrikas“ (mit Hugo Obermaier, 1925). Vor allem zur weiteren Erforschung, Aufnahme und Kopierung von vorgeschichtlichen Felsbildern in Nord- und Südafrika unternahm F. noch fünf Expeditionen (1926-35), die von der Industrie und der Reichsregierung finanziert wurden. Engen Kontakt hielt F. von 1924 bis zu seinem Tod 1938 zum emigrierten Kaiser Wilhelm II., der F.’ Kulturkreislehre als wissenschaftliche Verheißung für eine Rückkehr der Monarchie in Deutschland interpretierte (vgl. den edierten Briefwechsel u. d. T.: „Der Kaiser und sein Forscher“, 2011).
1932 wurde F. – gegen den Widerstand mancher Professoren, denen seine sehr starke Nutzung der journalistischen Publizität „bedenklich“ schien – zum Honorarprofessor ernannt. 1934 setzte ihn der nationalsozialistische Oberbürgermeister Krebs als Direktor des städtischen Afrika-Archivs und des Völkermuseums ein. Forschungsinstitut, Afrika-Archiv, die ethnografische Bildergalerie sowie Verwaltung und Bibliothek des Völkermuseums zogen 1937 in das ehemalige Senckenbergische Bürgerhospital (Stiftstraße 30). Obwohl bestimmte Elemente seiner Philosophie dem biologistischen Denken der Nationalsozialisten nahekamen, teilte F. deren abwertenden Rassismus nicht. Im Gegenteil sah er seine Lebensaufgabe darin, die eigenständigen Kulturleistungen der Afrikaner zu erforschen und herauszustellen. F., der sich andererseits in seinem stetigen Streben nach finanzieller Unterstützung für sein Institut und seine Projekte auch den neuen, nationalsozialistischen Machthabern andiente, setzte nach 1933 seine publizistische Tätigkeit fort und unternahm zahlreiche Vortragsreisen, u. a. in die USA zur Eröffnung der Ausstellung „Prehistoric Rock Pictures in Europe and Africa“ im Museum of Modern Art in New York (1937), die – zuvor in zahlreichen europäischen Städten und danach in 31 US-Städten gezeigt – viele moderne Künstler inspirierte, u. a. Jackson Pollock. In Frankreich, wo 1930 und 1933 u. a. im ethnografischen Museum des Trocadéro (Paris) Abbildungen aus F.’ Felsbildersammlung gezeigt wurden, griffen Ethnologen wie Michel Leiris manche kulturtheoretischen Gedanken von F. auf.
F.’ hauptsächliche Leistung besteht einerseits in der Sammlung ungeheuer vielfältigen ethnologischen Materials, worunter besonders die Felsbilder sowie die Märchen und Volkserzählungen zu nennen sind. Außerdem hat er das öffentliche Bewusstsein seiner Zeit für die Kulturleistungen Afrikas sensibilisiert und die Zwecklegende von der „Geschichtslosigkeit“ Afrikas widerlegt. Gerade mit dieser Idee hat er international, und zwar auch nach Afrika, gewirkt. Seine „Kulturgeschichte Afrikas“ (1933) wurde ins Französische übersetzt, und Léopold Sédar Senghor, einer der Begründer de „Négritude“, später der erste Präsident des Senegal nach der Unabhängigkeit, sagte über F., er habe den Afrikanern „ihre Würde zurückgegeben“.
Zahlreiche weitere Veröffentlichungen, u. a. „Der Ursprung der afrikanischen Kulturen“ (1898), „Simmel – Sammel – Surium des Dr. Gottlieb Haberer“ (autobiographische Novelle, 1902), „Atlantis. Volksmärchen und Volksdichtungen Afrikas“ (12 Bde., 1921-28), „Erythräa. Länder und Zeiten des heiligen Königsmordes“ (1931), „Madsimu Dsangara. Südafrikanische Felsbilderchronik“ (1931), „Schicksalskunde im Sinne des Kulturwerdens“ (1932) und „Ekade Ektab. Die Felsbilder Fezzans“ (1937).
1938 Goetheplakette der Stadt Ffm.
Festschriften zum 60. Geburtstag („Leo F. Ein Lebenswerk aus der Zeit der Kulturwende. Dargestellt von seinen Freunden und Schülern“, 1933) und zum 100. Geburtstag („Neo-Frobenius. Eine andere Festschrift“, 1973).
Ölporträt (von Hermann Frobenius, 1924) und Bronzebüste (von Clary von Ruckteschell-Truëb, um 1938) im F.-Institut. Porträtkarikatur (von Lino Salini, 1927) im ISG.
F. wohnte mit Frau und Tochter in dem klassizistischen Haus Untermainkai 4, das von Stadtbaumeister Hess 1823 erbaut wurde (1955-2009 Traditionshaus der Degussa, jetzt „Main Palais“ im Main Tor Quartier; dort Gedenktafel von Hans Bernt Gebhardt, 1988).
Der Afrikaforscher war verheiratet (seit 1901) mit Editha F., geb. Brandt (1880-1967), die ihn auf mehreren Expeditionen begleitete und bei seiner wissenschaftlichen Arbeit unterstützte.
Das „Institut für Kulturmorphologie“ wurde 1946 in „F.-Institut“ umbenannt, ist weiterhin der Universität eng verbunden und führt afrikakundliche Forschungsarbeiten durch. Seit 1938 wird dort die Zeitschrift „Paideuma. Mitteilungen zur Kulturkunde“ herausgegeben. Zunächst im selben Gebäude wie das Universitätsinstitut für Historische Ethnologie in der Liebigstraße 41 untergebracht, siedelte das F.-Institut 2001 mit dem Institut für Ethnologie im Fachbereich Philosophie und Geschichtswissenschaften in das ehemalige IG Farben-Gebäude auf dem Campus Westend um. Das von F. aufgebaute Felsbildarchiv, das über 8.600 Felsbildkopien aus Afrika, Ozeanien, Australien und Europa umfasst, wurde im Rahmen des DFG-Projekts „Digitalisierung und Erschließung der Ethnographischen Bildersammlung des Frobenius-Instituts“ digitalisiert und online gestellt (2006-09) sowie nach bestandserhaltenden Maßgaben neu geordnet (bis 2013).
2019 Ausstellung „F. – Die Kunst des Forschens“ im Museum Giersch der Goethe-Universität in Ffm.