W 1914 roku opublikował artykuł Czy klasa klas, nie podporządkowanych sobie, jest podporządkowana sobie?, a następnie stworzył teorię mnogości bazującą na zbiorze kolektywnym (mereologicznym), którą przedstawił w pracy Podstawy ogólnej teorii mnogości (1916).
W latach 1916–1939 Leśniewski skupił się na logice matematycznej, odrzucając wcześniejsze zainteresowania filozoficzne. Dążył do opracowania kompletnego systemu logiki jako podstawy matematyki, a nawet całej wiedzy.
Pierwsze prace z logiki Leśniewski pisał w języku potocznym, gdyż był nader sceptycznie ustosunkowany do języka symbolicznego używanego w logice (krytykował niejednoznaczności w Principia Mathematica). Później „nabrał zaufania” do języka symbolicznego, m.in. dzięki rozróżnieniu języka od metajęzyka oraz zauważeniu, że języka potocznego nie da się ujarzmić pod względem „logicznym”.
Jego prace obejmują stworzenie: rachunku zdań – prototetyki, rachunku nazw – ontologii Leśniewskiego, ogólnej teorii zbiorów – mereologii.
Wymienione systemy Leśniewskiego powstały w wyniku poszukiwań ugruntowania podstaw matematyki oraz w celu wyeliminowania antynomii z nauk dedukcyjnych. Cechuje je niebywała ścisłość i precyzja formalizacji.