Учился в 1857—59 у К. Пилоти в Мюнхене и Риме, работал главным образом в Мюнхене. Копировал картины старых мастеров и подражал их технической тщательности и колористическим приёмам. Излюбленный портретист официальных кругов бисмарковской Германии (около 80 портретов О. Э. Л. Бисмарка, Эрмитаж, Ленинград, и др. музеи). Л. — автор популярных портретов деятелей немецкой культуры: Р. Вагнера, Т. Моммзена (оба в Национальной галерее, Берлин), В. Буша (Эрмитаж).
Вместе с Францем фон Штуком и Фридрихом Августом фон Каульбахом считается представителем мюнхенской школы изобразительного искусства.
Ленбах получил известность благодаря своим реалистическим портретам, например «Портрет Отто фон Бисмарка». Работы Ленбаха представлены в Городской галерее в доме Ленбаха и Музее Ленбаха в Шробенхаузене.
В 1853 г. Ленбах был принят в мюнхенскую Академию художеств. В 1860 г. его пригласили в новую художественную школу в Веймаре, где он преподавал до 1862 г. К концу XIX в. Ленбах становится ведущим персонажем в жизни художественного Мюнхена, а круг друзей-художников Ленбаха, в который входили Вильгельм Буш, Франц Дефреггер и Рудольф Эпп, доминировал в культурной жизни города.
Признанный и востребованный высшими кругами общества портретист, Ленбах достиг богатства. Он мог себе позволить нанять архитектора Габриэля фон Зайдля для постройки своей огромной виллы в 1887—1891 гг., получившей ныне название «Ленбаххаус». Вилла в эклектическом стиле на основе итальянского Ренессанса вместе с садом по своим размерам может сравниться с небольшим замком.
В настоящее время в «Ленбаххаусе» находится Городская галерея в доме Ленбаха. Помимо картин Ленбаха и других художников XIX в. в галерее размещена значительная коллекция произведений художественной группы «Синий всадник».
Фон Ленбах похоронен на мюнхенском кладбище Вестфридхоф.