Leonard hadde også et stabilt forhold med en lege som heter Stephanie Barnett. Selv om forholdet gikk bra, så var Leonard ukomfortabel med at Stephanie flyttet inn sammen med ham, og forholdet tok slutt. Ved en annen anledning, da Leonards mor var på besøk, hadde Leonard og Penny nesten sex, men Leonard ødela øyeblikket ved å foreslå at de skulle begrave sine problemer med sine foreldre ved å ha sex, noe som fornærmet Penny. Mot slutten av sesong 2, reiste Leonard, Sheldon, Howard og Raj på en tre måneder lang vitenskapelig ekspedisjon til Nordpolen, og Penny uttrykte sorg, og hun ville ikke at han skulle reise sin vei. I sesong 3 begynte Leonard og Penny endelig et fast romantisk forhold, og de hadde sex for første gang. Men forholdet tok slutt etter åtte måneder, når Leonard sa at han elsket henne men Penny ikke elsket ham tilbake. Dette førte til en friksjon mellom dem, som ble utnyttet av gjeste-skuespiller Wil Wheaton som forverret situasjonen mellom dem for å ødelegge en bowling-konkurranse mellom Wheatons lag og Leonard, Penny, Sheldon, Howard og Raj.