1970 wurde Mortensen in Leicester Vize-Weltmeister im Straßenrennen der Profis hinter Jean-Pierre Monseré. 1971 gewann er gemeinsam mit Luis Ocaña Pernía den "Trofeo Baracchi". 1973 gewann er den Grand Prix d’Aix-en-Provence und die "Belgien-Rundfahrt" und 1974 belegte er Platz vier bei "Bordeaux–Paris". Viermal nahm Leif Mortensen an der "Tour de France" teil: 1971 wurde er Sechster der Gesamtwertung, 1972 Zwölfter und 1973 belegte er Platz 19.