Согласно недоброжелательным источникам, Лев Исавр обещал ему сдать Константинополь в обмен на императорский титул. Так или иначе, в результате этих переговоров Лев Исавр сумел уберечь от разграбления подчинённые ему провинции в Малой Азии. Введя Масламу ибн Абд аль-Малика в заблуждение, Лев Исавр ускользнул от врага. Затем Лев Исавр одержал победу над войсками, верными Феодосию, и в преддверии осады столицы по общему согласию был провозглашён императором, причём Феодосий по совету Константинопольского патриарха Германа I и синклита добровольно уступил ему власть. Лев Исавр был женат на Марии, от которой имел дочь Анну, сына Константина (род. в 718 г.) и дочерей Космо и Ирину (время рождения исследователям неизвестно). Погребён в саркофаге из проконнесского мрамора в герооне Юстиниана в храме святых Апостолов в Константинополе. После воцарения Льву III Исавру пришлось немедленно заняться организацией отпора арабам, в августе-сентябрее 717 г. осадившим Константинополь с суши (Маслама ибн Абд аль-Малик) и с моря (старший брат Масламы ибн Абд аль-Малика халиф Сулейман). Этот поход ожидался давно, поэтому уже император Анастасий II приказал покинуть город всем, у кого не было запасов продовольствия на два года. Первое нападение арабского флота было отбито с помощью «греческого огня». Сухопутные силы халифата расположились во Фракии на зимовку. Зима выдалась очень суровой, так что земля в течение ста дней была покрыта снегом. Из-за этого наступили бескормица и массовый падёж вьючного скота. Весной к арабскому флоту прибыли подкрепления из Египта и Африки, однако египетские моряки-христиане перешли на сторону византийцев. Затем много кораблей было вновь сожжено «греческим огнём». Во Фракии арабские войска страдали от страшного голода и нападений болгар, с которыми Льву III Исавру удалось заключить союз. Болгары перебили 22 тыс. арабов. В то же время византийские командиры, ведя партизанскую войну на азиатском берегу, отрезали арабский флот от источников снабжения. Преемник халифа Сулеймана Омар II решил снять осаду, но на обратном пути его корабли настигла буря, упомянутая очевидцем патриархом Германом в благодарственной гомилии Богородице. По византийским источникам, из 1800 спаслось всего десять арабских судов, из которых пять захватили византийцы. Несмотря на сокрушительное поражение, арабы продолжали ежегодные грабительские рейды на византийскую территорию. Благодаря умело построенной обороне их успехи в целом были незначительными. В 726 г. была взята Кесария Каппадокийская (ныне Кайсери), в 727 г. захвачена крепость Атей и осаждена Никея (ныне Изник), в 730 г. пала крепость Харсиан, а в 738 г. – Сидерун. Наконец, в 740 г. Лев III Исавр и Константин V Копроним разгромили арабское войско при Акроине, а вскоре в халифате началась гражданская война, что сильно облегчило положение византийской Малой Азии. Появление у арабов в 736/737 г. самозванца, выдававшего себя за сына Юстиниана II Тиверия, существенных последствий не имело. Будучи опытным дипломатом, Лев III Исавр поддерживал хорошие отношения как с болгарами, так и с хазарами. Около 731/732 г. он заключил союз с хазарским каганом Вирхором, женив своего сына Константина на дочери кагана Чичак («Цветок», в крещении Ирина).