Szkołę podstawową ukończył w rodzinnym Włocławku, a gimnazjum w Warszawie. Już w szkole interesował się chemią. Swoją wiedzę pogłębiał z pomocą Napoleona MiliceraNapoleon Milicer – współpracownik Roberta Bunsena, jeden z nauczycieli młodej Marii Skłodowskiej. (w przyszłości przyjaciela) – wybitnego chemika, kierującego pracownią chemiczną Muzeum Przemysłu i Rolnictwa, w której młody Leon Marchlewski został zatrudniony.
Praca w Szwajcarii i Anglii (1890–1900) Pod wpływem Milicera Marchlewski wyjechał w roku 1888 do Zurychu, na studia w tamtejszej politechnice. Tamże otrzymał w roku 1890 tytuł „chemika technicznego”. W roku 1890, bezpośrednio po studiach, został asystentem Jerzego Lungego, profesora technologii chemicznej. Po dwóch latach otrzymał na Uniwersytecie w Zurychu tytuł doktora na podstawie pracy nt. Krytyczne studia nad metodami oznaczenia siarki siarczkowej.
Wkrótce po doktoracie wyjechał do Kersel pod Manchesterem, gdzie został asystentem Edwarda Schuncka, chemika-organika, właściciela prywatnego laboratorium.