Léon IV éteignant l'incendie du Borgo en bénissant la ville de Rome, peinture de Raphaël.
Romain de naissance, il devint moine bénédictin au monastère Saint-Martin de Rome. Sous-diacre puis cardinal-prêtre de Serge II qui l'appréciait beaucoup, il fut élu Évêque de Rome à l'unanimité le . L'urgence de la menace sarrasine fit qu'il fut intronisé et consacré avant même que l'assentiment de l'empereur ne soit reçu. Cela se passait quelques mois après une attaque menée sur Rome par les Sarrasins (846). Ainsi, son grand ouvrage consista à faire construire un rempart autour de la colline du Vatican, pour protéger l'ensemble des constructions religieuses. Cet ensemble, terminé en 852, fut appelé d'après lui la cité léonine. Il fit aussi fortifier d'autres lieux dans le Latium, et restaurer la basilique Saint-Pierre, très endommagée par l'attaque de 846.
Il eut à combattre un certain Anastase III, qu'il fit anathématiser à deux reprises (en 850 et en 853) par des synodes, et qui tenta de se faire élire pape à sa mort. On sait qu'il s'agit de la même personne qu'Anastase le Bibliothécaire.
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