A obra de Maria Leontina tornou-se reconhecida por seu lirismo, sua apurada sensibilidade cromática e pela geometrização das formas. Sua pintura inicialmente figurativa torna-se gradualmente mais geometrizada até voltar-se totalmente para a abstração, na década de 1950. Seu trabalho recebeu, em diversas ocasiões, a descrição de “geometria sensível”, e em alguns momentos estabeleceu ligações com a poesia e a religiosidade. Em uma de suas últimas séries, intitulada Pintura, a artista interpretou pensamentos de grandes místicos e poetas.    

Sua carreira se iniciou nos anos 1940, quando começou a frequentar o ateliê de pintores ligados à escola paulista, em especial, Waldemar da Costa. Em pouco tempo sua obra despontou no cenário artístico nacional. Em 1951, foi convidada pelo psiquiatra e crítico de arte Osório César para orientar o setor de artes plásticas do Hospital Psiquiátrico de Juqueri. No mesmo ano, organizou uma mostra dos internos no MAM São Paulo. Em 1952, viajou para a Europa para participar do Salão de Maio em Paris junto com diversos artistas brasileiros, e integrou a representação brasileira na 26a Bienal de Veneza com sua série de naturezas-mortas. Na década de 1960, a artista realizou um painel de azulejos para o Edifício Copan e vitrais para a Igreja Episcopal Brasileira da Santíssima Trindade, ambos em São Paulo. 

Leontina participou da Bienal de São Paulo em diversas ocasiões (1951, 1955, 1957, 1959, 1961, 1963, 1967, 1979 e 1989), tendo recebido o prêmio de aquisição na 1a, 3a e 7a edições. Outras exposições coletivas de destaque foram duas edições do Panorama da Arte Brasileira, no MAM São Paulo (1969 e 1970); onde novamente foi premiada.  Em 1960, Leontina ganhou o Prêmio Nacional Guggenheim, da Fundação Guggenheim, Nova York, Estados Unidos.  

Além de ter participado de diversas mostras coletivas e individuais durante sua carreira, Maria Leontina ganhou uma extensa retrospectiva no MAM São Paulo (1994). Mais recentemente, seu trabalho foi revisitado na retrospectiva Maria Leontina: da forma ao todo, na Pinacoteca de São Paulo, Brasil (2023). Seu trabalho integra importantes coleções institucionais, entre elas: Pinacoteca de São Paulo, Brasil; MAM São Paulo, Brasil; Museu de Arte Contemporânea da Universidade de São Paulo – MAC USP, Brasil; MASP, Brasil; e MAM Rio de Janeiro, Brasil.