Tham gia Việt Minh, ông là một trong những cán bộ quân sự chủ chốt đầu tiên của chính phủ lâm thời Việt Nam Dân chủ Cộng hòa.

Trong sắc lệnh số 185 ngày 24 tháng 9 năm 1946 do Bộ trưởng Nội vụ Huỳnh Thúc Kháng ký, ông đã mặc nhiên là Thiếu tướng cho tương xứng với sĩ quan Pháp khi làm việc (khi đó trong Quân đội Quốc gia Việt Nam chưa có ai được phong hàm sĩ quan), được cử giữ chức vụ Tổng Chỉ huy Tiếp phòng quân (đến 20/11/1946, được thay bởi Hoàng Văn Thái ), một bộ phận của Quân đội Quốc gia Việt Nam (Hoàng Hữu Nam là Chính trị viên). Đây chính là lý do ông được xem là vị tướng đầu tiên của Quân đội nhân dân Việt Nam.[1] Mãi đến ngày 7-7-1948, Chủ tịch Hồ Chí Minh mới ký Sắc lệnh số 203-SL phong quân hàm Thiếu tướng cho ông Lê Thiết Hùng.

Ngày 20 tháng 11 năm 1946 ông được cử giữ chức Chủ tịch Ủy ban Kháng chiến miền Nam Việt Nam (thay cho ông Nguyễn Sơn).[2]

Khi quân Pháp tái chiếm Đông Dương, ông giữ chức Khu trưởng Chiến khu IV.[3] Ngày 10 tháng 7 năm 1947, ông được điều về công tác ở Bộ Tổng chỉ huy, phụ trách thanh tra Bộ đội Quốc gia Việt Nam.[4] Nguyễn Sơn thay ông làm Khu trưởng Chiến khu IV.[5]

Tháng 1/1948, ông giữ chức Tổng thanh tra quân đội kiêm chức Hiệu trưởng Trường Lục quân Việt Nam (1948-1954).[6],[7] Ông có tên trong danh sách 9 thiếu tướng được phong lần đầu tiên năm 1948.

Ông từng là Chỉ huy trưởng mặt trận Bắc Cạn và Tuyên Quang, lãnh đạo quân đội chống lại cuộc tấn công đầu tiên của Pháp vào căn cứ Việt Bắc.

Sau đó ông làm Tư lệnh Bộ Chỉ huy Pháo binh (1954-1956), Hiệu trưởng đầu tiên Trường Sĩ quan Pháo binh (1956-1963)[8] kiêm Chỉ huy trưởng Sở Chỉ huy phòng không.

Năm 1963 ông chuyển sang làm công tác đối ngoại: được cử làm Đại sứ Việt Nam Dân chủ Cộng hòa tại Triều Tiên đến năm 1970, người thay thế ông là ông Bùi Đình Đổng[9][10] sau đó làm Phó ban CP 48, tháng 5/1970 làm Phó Trưởng Ban Đối ngoại Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam (ngày 18-2-1969 Bùi Đình Đồng làm Đại sứ tại nước Cộng hòa Dân chủ Nhân dân Triều Tiên thay Lê Thiết Hùng, ngày 1-8-1970 bổ nhiệm Lê Đông thay Bùi Đình Đồng).

Ông được Nhà nước tặng thưởng Huân chương Hồ Chí Minh.