Первоначальное образование получил в пансионате Монкевича.
В 1874 году поступил в 3-ю Санкт-Петербургскую гимназию, которую окончил в 1879 году с серебряной медалью.
15 августа 1879 года его зачислили на первый курс физико-математического факультета Санкт-Петербургского университета.
В студенческие годы Франц Юльевич стал членом научно-литературного общества. Вместе с В.И.Вернадским был избран в научный отдел этого общества по специальности геология и минералогия, где Ф.Ю.Левинсон-Лессинг подготовил два реферата: «Очерк истории Земли», «Продукты выветривания и изменение главнейших минералов из группы полевых шпатов, авгитов и роговых обманок». Второй реферат был удостоен золотой медали и получил высокую оценку В.В.Докучаева. После этого Франц Юльевич перевелся на естественный факультет университета и под руководством профессора А.А.Иностранцева занимался геологией, а у В.В.Докучаева - минералогией и почвоведением.
В 1883 году Франц Юльевич окончил университет со степенью кандидата естественных наук и был оставлен при университете для подготовки к профессорскому званию. С этого же времени он начал проводить самостоятельные геологические исследования в Карелии.
Первая его научная работа «Вариолиты Ялгубы Олонецкой губернии» была опубликована в 1884 году.
В 1886 г. Ф.Ю.Левинсон-Лессинг занял должность консерватора Геологического кабинета в Санкт-Петербургском университете.
В 1888 году вышла в свет его магистерская диссертация «Олонецкая диабазовая формация», которая сразу выдвинула автора в первые ряды выдающихся русских геологов. Наряду с превосходными описаниями пород, Франц Юльевич высказал свое представление о магматической формации и о диабазах, как о продуктах, созданных подводными излияниями. В числе первых геологов он поставил вопрос о возрасте изверженных пород.
С 1889 по 1892 гг. в качестве приват-доцента он читал лекции по петрографии и минералогии в Санкт-Петербургском университете, Франц Юльевич опубликовал в 1891 году широко известные «Таблицы для микроскопического определения породообразующих минералов», переведенные на английский язык и являющиеся руководством для начинающих специалистов.
В январе 1892 г. Ф.Ю.Левинсон-Лессинг был приглашен на должность профессора кафедры минералогии в Юрьевский университет, где в течение 10 лет читал лекции по кристаллографии, минералогии, петрографии и курс «Введение в геологию». Параллельно с преподаванием, он интенсивно занимался научной работой. Изучал изверженные горные породы Центрального Кавказа и Северного Урала, вел исследования в области теоретической петрографии, проводил большую химико-аналитическую работу и осуществлял минералого-петрографические эксперименты. Результатом стала знаменитая докторская диссертация «Исследования по теоретической петрографии в связи с изучением изверженных пород Центрального Кавказа» (1898). В ней тщательно рассмотрены вопросы: химической классификации и характеристики изверженных пород; дифференциации и кристаллизации магмы; классификации и номенклатуры изверженных пород. Эта фундаментальная монография оказала огромное влияние на последующее развитие петрографической теории ликвационной гипотезы происхождения горных пород. Разработанную классификацию изверженных пород Ф.Ю.Левинсон-Лессинг впервые представил на 7-й сессии Международного геологического конгресса (МГК), проходившей в Москве в 1897 году.
Прочно внедрив в петрографическую теорию начала химии и физической химии, Франц Юльевич упорно трудился над созданием для нее экспериментальной базы, основав русскую экспериментально-техническую школу.
Ф.Ю.Левинсон-Лессинг был крупнейшим и общепризнанным какв России, так и за границей авторитетом в вопросах теории магматических горных пород.
В 1902 году Франца Юльевича Левинсон-Лессинга назначили профессором на кафедре минералогии в Санкт-Петербургском политехническом институте, где он вел курс минералогии вплоть до 1930 года.
С этого момента заметно выделяется долголетний период его научно-исследовательской работы и педагогической деятельности в Санкт-Петербурге, когда он, по совместительству, читал лекции и на Бестужевских высших женских курсах (1902-1920 гг.) и до 1930 г. в Ленинградском университете.
В 1911 г. вышли в свет известный его «Учебник кристаллографии» и курс лекций «Рудные месторождения», а позднее - «Введение в геологию» (1923). В этих учебных заведениях Франц Юльевич вел основную свою научно-исследовательскую работу.
29 ноября 1914 г. Ф.Ю.Левинсон-Лессинга избрали членом-корреспондентом Императорской Санкт-Петербургской академии наук по разряду физическому Физико-математического отделения.
В 1919 г. Франц Юльевич был избран петрографом Геологического комитета. Несколько позднее им были опубликованы «Сборник химических анализов русских горных пород» и фундаментальный учебник «Петрография» (1925), выдержавший 6 изданий. В широко известном учебнике Франц Юльевич ввел основополагающее понятие «петрографическая формация», которое определял как «совокупность пород, представляющих вариации и продукты дифференциации какой-нибудь магмы вместе со всеми сопровождающими их пегматитовыми или иными жилами с контактными образованиями, обладает своей особой физиологией, которая данную формацию характеризует и отличает от другой, такой же геологической единицы».
13 мая 1925 года Ф.Ю.Левинсон-Лессинг был избран действительным членом Российской академии наук по Отделению физико-математических наук (минералогия).
В Академию наук Франц Юльевич пришел как признанный руководитель созданной им крупной петрографической школы. Бесспорное признание роли Ф.Ю.Левинсона-Лессинга, как родоначальника советской петрографии, принесли ему написанные им справочники и учебные пособия по петрографии, в том числе: «Петрографический лексикон» (1893), «Петрографические таблицы» (1915), «Словарь петрографических терминов» (1932), «Петрографический словарь» (1934).
Начиная с 1925 г. и до последних дней жизни Ф.Ю.Левинсон-Лессинг выполнял громадную научно-организационную работу в Академии наук СССР. Он был директором Геологического музея им. Петра Великого АН СССР (1925 г.), Почвенного (1925-1929 гг.) и Петрографического (с 1930 г.) институтов АН СССР. В 1925-1939 гг. возглавлял комиссию по изучению Якутской АССР и Каспийского моря, возглавлял работу комиссии по строительным материалам, в течение многих лет руководил Вулканологической станцией на Камчатке.
Франц Юльевич умел сочетать организационную и научно-исследовательскую работу. Он был выдающимся петрографом и геологом широкого профиля. По вулканологии им была опубликована интересная работа «Вулканы и лавы Центрального Кавказа» (1913). В своих работах он освещал некоторые вопросы физики, химии, металлургии и силикатной технологии. Примерами являются его «Опыты над перекристаллизацией горных пород в твердом состоянии» (1911), а также работы по намагничиванию горных пород. Серьезно занимался историей петрографии, написав такие работы: «Успехи петрографии в России» (1925), «Введение в историю петрографии» (1936).
Особобенно заметна деятельность Ф.Ю.Левинсон-Лессинга как активного члена сессий Международного геологического конгресса. Он был участником 5-ти сессий МГК: 7-й - 1897 г. (Санкт-Петербург), 8-й - 1900 г. (Париж), 12-й - 1913 г. (Торонто), 14-й - 1926 г. (Мадрид), 17-й - 1937 г. (Москва). На 8-й и 12-й сессиях МГК Ф.Ю. Левинсон-Лессинг был избран вице-президентом вместе с Ф.Н.Чернышевым и В.И.Вернадским. На 17-й сессии была организована постоянная комиссия по петрографии, минералогии и геохимии, которую поручили возглавить именно ему.
Ф.Ю.Левинсон-Лессинг был членом Международного общества почвоведов, Лондонского геологического общества, Геологического общества Бельгии, Американского геологического общества.
В честь его 50-летнего юбилея научной деятельности постановлением Общего собрания АН СССР в 1934 г. (еще при жизни) Петрографическому институту было присвоено имя Ф.И.Левинсон-Лессинга.
Его научное наследие составляет более 200 публикаций, в том числе много монографий, учебников, словарей и учебных пособий. Глубокое содержание большинства его научных исследований показывает направления путей дальнейшего развития тех геологических наук, которым была отдана вся его жизнь.
Скончался Франц Юльевич Левинсон-Лессинг 25 октября 1939 г. в Ленинграде. Похоронен на Волковском кладбище в некрополе-музее Литераторские мостки. На могиле в 1949 году была установлена гранитная стела.
4 августа 1949 г. АН СССР учредила в его память Премию им. Ф.Ю. Левинсон-Лессинга за выдающиеся научные работы в области петрографии, присуждаемую 1 раз в 3 года.
В честь Ф.Ю.Левинсон-Лессинга минерал из класса силикатов, открытый в 1929 г., назван «лессингитом».
На Курильских островах есть хребет и вулкан имени Левинсон-Лессинга (1926 г.), на полуострове Таймыр - мыс Левинсон-Лессинга, на Камчатке - вулкан Левинсон-Лессинга, на о. Большевик (Северная Земля) - гора Левинсон-Лессинга (1950-е гг.), остров в бухте Паландера в архипелаге Норденшельда. Именем Ф.Ю. Левинсон-Лессинга названа 1 форма из класса двухстворчатых моллюсков.
Имя академика Ф.Ю.Левинсона-Лессинга присвоено Научно-исследовательскому институту земной коры при Санкт-Петербургском государственном университете.
Пресс-служба Роснедр