Lederman tok doktorgrad ved Columbia University, New York, i 1951, og vart professor ved same universitet i 1958. Han var sjef for Fermi National Accelerator Laboratory in Batavia, Illinois mellom 1979 og 1989.
På starten av 1960-talet utførte Lederman, Schwartz og Steinberger eksperiment ved Brookhaven National Laboratory der dei nytta partikkelaksellerator for å generere ei stråle av nøytrinoar, partiklar som ikkje har nokon merkbar masse eller elektrisk ladning. Det var kjend at når nøytrinoar treffer materie, så vert det nokre gonger generert elektron eller elektronlike partiklar som kallast myon. Det var derimot ikkje kjend om dette kom av at det fanst ulike typar nøytrinoar. Lederman , Schwartz og Steinberger viste at dette var tilfelle og kalla den tidlegare uidentifiserte typen av nøytrinoar som genererte myon for myonnøytrino. Denne oppdaginga førte til innsikta i at leptona, den familien av partiklar som elektron og nøytrinoar tilhøyrer, dannar «familiar» av partiklar. Dette er no ein del av standardmodellen som skildrar oppbygginga og kategoriseringa av elementærpartiklane.
