Il est spécialiste de l'histoire du catholicisme et de la papauté (il a été notamment attaché de presse de l'ambassadeur de France pour le Saint-Siège en 1965), auteur de plusieurs ouvrages sur le Saint-Siège, il a dirigé le Dictionnaire historique de la papauté.
Avec François-Charles Uginet, Le Vatican ou les frontières de la grâce, Paris, Calmann-Lévy, 1992
Paul VI et la modernité dans l'Église, Actes du colloque de Rome (1983), École française de Rome, 1984
Avec Catherine Grémion, Les Lieutenants de Dieu : les évêques français et la République, Fayard, 1986
Le Vatican ou les frontières de la grâce (avec François-Charles Uginet), Calmann-Lévy, 1992
Dictionnaire historique de la papauté, Fayard, 1994 (direction d'ouvrage)
Nations et Saint-Siège au XXe siècle (en collaboration avec Hélène Carrère d’Encausse), Fayard, 2002
« Rome, l'unique objet de mon ressentiment » : regards critiques sur la papauté, Rome, École française de Rome, 2011 (Actes du colloque organisé à Paris les 3- par l'Institut universitaire français).
↑Loup Besmond de Senneville, « Mort de Philippe Levillain, historien majeur de la papauté », La Croix, (ISSN0242-6056, lire en ligne, consulté le )
↑Philippe-Jean Catinchi, « Philippe Levillain, spécialiste de l’histoire contemporaine de la Papauté, est mort », Le Monde, no 23873, , p. 27 (lire en ligne)