Maria Leptin erforscht molekulare Mechanismen in der Embryonalentwicklung. Das heißt, sie untersucht Vorgänge, durch die sich einzelne Zellen zu einem komplexen vielzelligen Organismus entwickeln. Besonders bekannt wurde sie für ihre Arbeiten zur Entwicklungsbiologie der Taufliege Drosophila. Hier hat sie die Entwicklungen komplexer Zellformen im Atmungssystem studiert, die Bildung des Tracheen-Netzwerks, und daran beteiligte Proteine identifiziert. Solche Proteine sind auch an der Gewebe- und Formbildung bei Wirbeltieren beteiligt. Neben ihren herausragenden Forschungsleistungen nimmt Maria Leptin eine Führungsrolle in der Förderung europäischer Spitzenforschung ein. 2010 wurde sie als erste Frau an die Spitze der European Molecular Biology Organisation (EMBO) gewählt. Seit 2021 ist sie Präsidentin des ERC und hat als solche auch den Vorsitz des Wissenschaftlichen Rats des ERC inne.
Neben der Leopoldina gehört Maria Leptin auch der Academia Europaea, der Nordrhein-Westfälischen Akademie der Wissenschaften und der Künste, der Berlin-Brandenburgischen Akademie der Wissenschaften und der European Academy of Sciences an. Sie ist auswärtiges Mitglied der Royal Society sowie der US-amerikanischen National Academy of Sciences (NAS). Die Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Zürich in der Schweiz und die University of Cambridge in Cambridge/UK verliehen ihr eine Ehrendoktorwürde.
Der ALLEA Madame de Staël-Preis wurde 2014 ins Leben gerufen. Er ist nach Anne Louise Germaine de Staël-Holstein benannt, allgemein bekannt als Madame de Staël – einer prominenten Philosophin, Literatin und politischen Theoretikerin des 18. und 19. Jahrhunderts. Der jährlich verliehene Preis ist Ausdruck der Mission von ALLEA, das intellektuelle, wissenschaftliche und kulturelle Erbe Europas zu fördern. Er wird an Personen verliehen, deren Arbeit einen bedeutenden Beitrag zur Integrität und Entwicklung Europas leistet und damit das Verständnis von Europa als facettenreich, intellektuell, offen und lebendig fördert und stärkt.