Leif Østby var en av de mest sentrale og innflytelsesrike kunsthistorikere i Norge i andre halvpart av 1900-tallet. Hans interesseområde og spesialfelt var norsk og nordisk billedkunst på 1800- og 1900-tallet.
Han tok examen artium ved Sarpsborg høyere skole 1925 og ble cand.philol. 1933 med historie hovedfag. Hovedoppgaven ble trykt i Kunst og Kulturs skriftserie med tittelen Fra naturalisme til nyromantikk. Fra slutten av 1920-årene foretok Østby mange studiereiser i hele Europa.
Østby arbeidet som vikar og lektor ved Vestheim skole i Oslo 1934–46. 1934–36 var han dessuten engasjert av Den norske ikonografiske kommisjon, og 1935–37 virket han som kunstanmelder i Aftenposten. 1946–47 og 1966–70 foreleste han i kunsthistorie ved Universitetet i Oslo.
1946 ble Østby ansatt som konservator ved Nasjonalgalleriet og fikk ansvar for museets maleriavdeling. Fra 1949 og frem til han gikk av med pensjon våren 1973, var han førstekonservator. Foruten hans livslange arbeid ved Nasjonalgalleriet må spesielt hans innsats for tidsskriftet Kunst og Kultur fremheves, fra 1955 som medredaktør og 1962–80 som eneredaktør.
Leif Østbys kunsthistoriske produksjon er svært omfattende. Hans Norges kunsthistorie utkom første gang 1938 og kom senere i to reviderte utgaver. Her gir Østby en grundig og sammenfattende skildring av norsk kunst fra de eldste tider til samtiden. Han trekker opp de store linjer samtidig som han gir rom for sentrale kunstneres betydning. Verket ble lenge benyttet som pensum i kunsthistorie ved universiteter og høyskoler foruten i studiesirkler, og hadde enormt gjennomslag for oppfatningen av norsk billedkunst.
Sammen med Ragna Thiis Stang utgav Østby 1940 Verdens kunsthistorie, som også kom i en revidert utgave, og i Einar Lexows Norges kunst (1942) skrev han kapittelet om mellomkrigstiden. 1949 utkom Ung norsk malerkunst, som på dette tidspunkt var den grundigste fremstilling av norsk kunst fra den første verdenskrig til og med den unge etterkrigsgenerasjonen. I første bind av verket Norges billedkunst i det nittende og tyvende århundre skrev Østby om perioden fra Adolph Tidemand til Nikolai Astrup. Han viser her omfattende kunnskap om de enkelte kunstnere og stor innsikt i tidens kulturelle strømninger. Spesielt må kapitlene om 1870- og 1880-årene fremheves. Det kan innvendes at behandlingen av Christian Krohgs og Edvard Munchs senere produksjon er meget summarisk, og sett i lys av senere forskning viste han liten forståelse for Düsseldorf-skolens egenart. 1954 kom den innholdsrike boken om Hjalmar Haalke.
J. C. Dahl var, ved siden av Erik Werenskiold, en kunstner som i særlig grad opptok Østby. I en rekke kataloger, fra kunstnerens minneutstilling i Nasjonalgalleriet 1957 til artikler i Kunst og Kultur i 1970-årene, tok han opp ulike sider ved Dahls kunstnerskap. I Med kunstnarauge: Norsk natur og folkeliv i biletkunsten behandler han perioden fra 1500 til ca. 1870 med et i overveiende grad kulturhistorisk perspektiv. 1975 utkom Theodor Kittelsen og to år senere den grundige boken om Erik Werenskiold som tegner.
Publikasjonen Erik Werenskiold og dikterne fra 1985 har blitt stående som en kortversjon av det langt større verk om Werenskiolds korrespondanse med diktere, billedkunstnere og andre kultur- og samfunnspersonligheter som Østby planla å gi ut. Mot slutten av arbeidet oppstod imidlertid hindringer idet han ikke fikk tilgang til nyoppdaget kildemateriale. For Østby, som viet så mange år av sitt liv til arbeidet med Werenskiolds kunst, var dette et hardt slag og også et betydelig tap for ettertiden.
Foruten sine mange publikasjoner påtok Østby seg den svært viktige og tidkrevende oppgaven å utarbeide katalogene over Nasjonalgalleriets norske og internasjonale malerisamling. Han skrev også en rekke artikler i første utgave av Norsk biografisk leksikon, i Norsk Kunstnerleksikon, norske konversasjonsleksika og flere utenlandske kunstnerleksika. Dessuten skrev han flere mindre bøker om kunst og kulturhistorie for skolen samt en mengde katalogforord; han holdt foredrag og forelesninger i Norge, Norden og på kontinentet. Hans betydning som formidler og popularisator kan neppe overvurderes.
Som kunsthistoriker stod Leif Østby for en nasjonal linje, med Lysakerkretsen og Andreas Aubert som viktige ideologiske forutsetninger. Med utgangspunkt i en oppfatning av kunsten som ledd i et større nasjonalt samfunnsbyggende prosjekt kom han til å stille seg skeptisk til viktige strømninger innenfor den internasjonale samtidskunst (“de stilsprengende tendenser og den voldsomme subjektivisme”). Hans kunsthistoriske virke var rettet mot det sammenfattende og didaktiske snarere enn det problematiserende. Det var dette, sammen med hans dominerende posisjon, som la grunnlaget for kritikken han ble møtt med av en ny generasjon kunsthistorikere fra slutten av 1970-årene.
Leif Østby var medlem av Det Norske Videnskaps-Akademi (DNVA) fra 1956 og ble æresdoktor ved Universitetet i Oslo 1986. Han ble utnevnt til ridder av 1. klasse av St. Olavs Orden 1973 og mottok Fridtjof Nansens belønning fra DNVA 1972 og Østfold fylkes kulturpris 1987.