Léon Vaillant est un étudiant d’Henri Milne-Edwards ; les familles Vaillant et Alphonse Milne-Edwards se fréquentent dans les années 1870.

Léon Vaillant fait des études de médecine (sa thèse, Essai sur le système pileux dans l'espèce humaine, est publiée en 1861) et de zoologie à Paris. Il poursuit des recherches zoologiques sous la direction d’Henri Milne-Edwards, devenant docteur (sciences naturelles) en 1865. Il travaille d’abord sur les invertébrés, puis sur les reptiles et poissons. Il est préféré à Émile Blanchard pour succéder à Auguste Duméril et il est nommé professeur titulaire de la chaire de zoologie au Muséum national d'histoire naturelle de Paris (1875). Vaillant supervise en 1889 la construction d’un nouveau bâtiment qui abrite les collections herpétologiques et ichtyologiques du Muséum, jusque-là dispersées. Il préside la Société zoologique de France en 1895.

Léon Vaillant dirige avec Henri Milne-Edwardsla publication de la Mission scientifique au Mexique et dans l'Amérique centrale. Études sur les mollusques terrestres et fluviatiles de Fischer et Hippolyte Crosse (1880-1894) ; il publie la Mission scientifique au Mexique et dans l'Amérique centrale. Études sur les poissons (1883) et des Etudes sur les poissons, dans les Recherches zoologiques pour servir à l'histoire de la faune de l'Amérique centrale et du Mexique (1874-1915), ces deux ouvrages illustrés par Firmin Bocourt et dirigés par Alphonse Milne-Edwards ; les Expéditions scientifiques du "Travailleur" et du "Talisman" pendant les années 1880, 1881, 1882, 1883. Poissons (1888) ; Les Tortues éteintes de l'île Rodriguez d'après les pièces conservées dans les galeries du Muséum (1893) ; et avec Guillaume Grandidier, une Histoire naturelle des reptiles. Crocodiles et tortues (1910).

Léon Vaillant épouse à Saint-Malo, en 1865, Henriette Jeanne Hovius (1845-1925), fille de l’armateur Auguste Jean François Hovius (1816-1896) et de Elisabeth Marie Fontan (1822-1914). Léon Vaillant et Henriette Jeanne Hovius ont 5 enfants :

. Charlotte Vaillant (1869-1925), qui épouse Gilbert Leviez (1857-1907)

. Albéric (Paul Louis Marie) Vaillant (1872-1914). Il est « mort pour la France (tué à l’ennemi) le 27 août 1914 à Cesse dans la Meuse ». Il s’était marié peu avant (lettre du 14 novembre 1814).

. Elisabeth Vaillant (3 décembre 1874-1936), qui épouse René Delalain

. Louis Vaillant (1876-1963), médecin, qui épouse Marguerite Thévenot (1885-1917) puis Cécile Clotet (1892-1956)

. Clémentine Vaillant (1878-1958), qui épouse Alexandre Fleurquin (1872-1948)