Последователь историзма в архитектуре, Бенуа испытал в ранних работах влияние французского классицизма XVII—XVIII вв. (Придворная певческая капелла в Санкт-Петербурге, 1886—1889), создавал здания в неовизантийском стиле (церковь Св. Георгия в Гусь-Хрустальном, 1892—1901; русская капелла в Дармштадте, 1897—1899, собор Александра Невского в Варшаве), был близок русскому модерну, использовал приёмы романской архитектуры (Церковь Лурдской Божией Матери, 1903—1919, совместно с М. М. Перетятковичем). От эклектизма в середине 1900-х гг. перешёл к неоклассицизму доходный дом 1-го Российского страхового общества в Санкт-Петербурге (Петроградская сторона), 1911—1914, соместно с А. О. Гунстом; Дворец выставок — западный корпус Русского музея в Санкт-Петербурге, 1914—1919, совместно с С. О. Овсянниковым).
Для творчества Бенуа неизменно характерны чёткая архитектурная композиция, продуманность художественного ансамбля, элегантность форм.
Один из создателей проекта преобразования Санкт-Петербурга (1910—1913, совместно с Перетятковичем и инженером Ф. Е. Енакиевым). Участвовал во многих реконструкциях интерьеров и внешнего облика здания Санкт-Петербурга (фойе Эрмитажного театра, 1904; Белый зал заседаний Мариинского дворца, 1907—1908; фасад Финской церкви, конец XIX в.); руководил строительством Великокняжеской усыпальницы в Петропавловской крепости (1896—1908, по проекту Д. И. Гримма).
Преподавал в Академии художеств (профессор с 1892; в 1903—1906 и 1911—1917 также ректор Высшего художественного училища при Академии художеств), Свободных художественных мастерских (профессор с 1918), в Рисовальной школе ОПХ (1879—1884) и Институте гражданских инженеров (1884—1892, 1920—1927).
Среди учеников — Ф. И. Лидваль, Мунц О. Р., В. А. Покровский, В. Г. Гельфрейх, Л. В. Руднев, И. А. Фомин, В. А. Щуко, А. В. Щусев, М. С. Лялевич, Владас Дубенецкис.
Л.Н. Бенуа похоронен на Волковском кладбище СПб.