Sau khi Bỉ giành độc lập, chính thức thoát khỏi sự cai trị của Hà Lan vào ngày 4 tháng 10 năm 1830, Quốc hội Bỉ đã đưa ra một số ứng viên phù hợp, trong đó có Léopold, để trở thành Vua của quốc gia này. Vào ngày 26 tháng 6 năm 1831, Léopold đã được chọn để trở thành vị vua đầu tiên của Vương quốc Bỉ. Ông đã làm lễ tuyên thệ trước Hiến pháp bên ngoài nhà thờ Thánh Jacques-sur-Coudenberg tại Cung điện Coudenberg ở thủ đô Bruxelles vào ngày 21 tháng 7 năm 1831. Ngày này cũng được chọn làm ngày Quốc khánh Bỉ.

Chưa đầy một tháng sau, vào ngày 2 tháng 8 năm 1831, Hà Lan tiến hành xâm lược Bỉ. Cuộc giao tranh liên tục diễn ra, kéo dài trong vòng 8 năm. Đến năm 1839, hai nước đã cùng nhau ký Hiệp ước Luân Đôn, thiết lập nền độc lập cho Bỉ.

Ngày 9 tháng 8 năm 1832, lễ cưới giữa Công chúa Louise của Orléans và Léopold I đã được diễn ra tại cung điện Château de Compiègne ở Pháp. Do Léopold I là người theo đạo Tin Lành nên lễ cưới của họ được tổ chức theo cả nghi thức Công giáo lẫn Cơ Đốc giáo.

Với việc khai trương tuyến đường sắt nối liền Bruxelles và Mechelen vào ngày 5 tháng 5 năm 1835, hy vọng của Léopold I về việc xây dựng một tuyến đường sắt đầu tiên ở lục địa châu Âu đã trở thành hiện thực.

Năm 1840, cháu gái của ông, Nữ hoàng Victoria của Anh - con gái của chị gái ông là Công chúa Victoria của Sachsen-Coburg-Saalfeld - đã kết hôn với cháu trai của ông, Hoàng tử Albert của Sachsen-Coburg và Gotha - con trai của anh trai ông là Ernst I của Sachsen-Coburg và Gotha. Ngay cả trước và sau khi lên ngôi, Nữ hoàng Victoria của Anh vẫn luôn khen ngợi rằng Léopold là một người có tầm ảnh hưởng sâu sắc đến bà vào những ngày đầu trị vì.

Năm 1842, Léopold I đã cố gắng khắc phục điều kiện làm việc của lao động nữ và trẻ em nhưng không thành công. Ở châu Âu lúc bấy giờ đang nổi lên một làn sóng phong trào cách mạng, sau khi cha vợ của ông là Vua Louis-Philippe I của Pháp bị phế truất vào năm 1848. Tuy nhiên, vào thời điểm đó, Bỉ vẫn giữ được thái độ trung lập, phần lớn là nhờ vào tài ngoại giao của Léopold I.

Ngày 11 tháng 10 năm 1850, Léopold I một lần nữa mất đi người đầu ấp tay gối là Hoàng hậu Louise-Marie sau khi bà qua đời vì bệnh lao ở tuổi 38.

Vào ngày 10 tháng 12 năm 1865, Vua Léopold I qua đời tại Laeken ở tuổi 74. Ông được an táng tại Hầm mộ Hoàng gia thuộc Nhà thờ Đức Mẹ đồng trinh ở Laeken, Bruxelles, Bỉ.