Toen in 1845 en 1846 desondanks onlusten uitbraken, voerde hij een aantal bestuurlijke hervormingen in. Naar aanleiding van de liberale beweging die ontstond na de verkiezing van paus Pius IX stond hij op 17 februari 1848 als een van de eerste Italiaanse heersers een grondwet toe, waar het volk echter geen genoegen mee nam. Onder druk van Italiaans-nationalistische radicalen (zie ook Risorgimento) zag hij zich genoodzaakt troepen naar Lombardije te zenden om daar tegen de Oostenrijkers te strijden. Toen de invloed van de radicalen groeide, verliet hij op 9 februari 1849 het land. Hij voegde zich op 21 februari bij de eveneens gevluchte Pius IX in Gaeta. Na de Oostenrijkse overwinning in de Slag bij Novara werd in Toscane een dictator geïnstalleerd, wiens bewind echter weinig succesvol was. De regering nodigde Leopold daarom op 12 april uit terug te keren.