Après avoir étudié l'orgue avec Louis Vierne, dont il était déjà le suppléant et avec lequel il se brouillera, il lui succède en 1937, en tant que titulaire des grandes orgues Cavaillé-Coll de Notre-Dame de Paris. Sa nomination créa des contestations dans le milieu organistique, qui ne voyaient en lui qu'un musicien amateur de peu d'envergure. Une pétition fut remise à l'archevêque de Paris demandant qu'un concours soit organisé, conformément au souhait de Louis Vierne. Gaston Litaize et Jean Langlais avaient décidé de laisser le champ libre à Maurice Duruflé pour remporter ce concours. Mais l'archevêque refusa de donner suite à cette pétition. Léonce de Saint Martin donna des concerts en France et en Angleterre. Mais à la fin de sa vie il connut des difficultés financières, tentant de trouver d'autres activités dans une agence de publicité et également en tant qu'expert pour les orgues. Peu avant sa mort, il reçut Pierre Cochereau à sa tribune durant une messe et lui demanda d'improviser durant l'offertoire. Il le considéra comme son successeur. Il est décédé en 1954 ; à ses obsèques ne vinrent que seulement deux organistes : Marcel Dupré et Jeanne Demessieux. Il repose dans la chapelle familiale du cimetière des Planques d'Albi[2].
Jean Guérard, Léonce de Saint-Martin à Notre-Dame de Paris (la vie et l'œuvre), Paris, Éditions de l'Officine, 2005, 328 p. (www.publiecriprint.com)
Marie-Christine Steinmetz, Une histoire de tribune : de Louis Vierne à Pierre Cochereau : Léonce de Saint-Martin (1886-1954) organiste titulaire du grand orgue de Notre-Dame de Paris, Paris, Association Boëllmann-Gigout, , 345 p.