В 1920 г. вновь изучал фауну Баренцева моря, в 1921 г. участвовал в Северной научно-промысловой экспедиции, вместе с И.И. Месяцевым был основателем и одним из руководителей Плавучего морского научного института (Плавморнин). Принимал участие в первой экспедиции этого института на ледокольном пароходе «Малыгин».
Начав с работ фаунистического характера, Л.А. Зенкевич вскоре пришел к мысли о необходимости применения для изучения морской фауны количественных методов, без которых невозможна объективная оценка ее обилия, выяснения закономерностей ее распределения, изучения донных биоценозов и, наконец, решения проблемы биологической продуктивности морских водоемов.
В 1930-е годы внимание Льва Александровича привлекли наши южные моря, в первую очередь Каспийское - водоем, исключительно богатый тогда ценными осетровыми рыбами. Он возглавил работы по реконструкции фауны Каспийского моря путем акклиматизации в нем некоторых ценных кормовых беспозвоночных Азовского моря. Вселенные в 1939 году в Каспийское море черви и моллюски прижились, стали в дальнейшем одними из массовых компонентов фауны и вошли в рацион осетровых и других промысловых каспийских рыб.
В 1948 году Л.А. Зенкевича назначили заведующим лабораторией бентоса Института океанологии имени П.П. Ширшова. В этом же году вступило в строй исследовательское судно «Витязь», получившее впоследствии мировую известность. В 1949–1952 гг. Лев Александрович возглавлял Комплексную океанографическую экспедицию Института океанологии и принимал непосредственное участие во многих экспедициях на «Витязе» и других исследовательских судах. По инициативе Л.А.Зенкевича были начаты отечественные исследования глубоководной фауны океана. За организацию экспедиции на «Витязе» в 1951 году ученый был удостоен Государственной премии.
Исключительно большое место в жизни Л.А. Зенкевича занимала научно-организационная деятельность. Он был председателем Океанографической комиссии при Президиуме Академии наук, председателем Всесоюзного гидробиологического общества, вице-президентом Московского общества испытателей природы, главным редактором созданного по его инициативе журнала «Океанология».
За выдающиеся результаты своих исследований Лев Александрович был избран почетным доктором Марсельского университета и Английской морской биологической ассоциации, членом Датского естественнонаучного общества, членом ученого совета Французского океанографического института (удостоившего его высшей награды - медали «Памяти Альберта Монакского»), членом Академии зоологии и членом-корреспондентом Морской биологической ассоциации Индии, членом Сербской академии наук.
Л.А. Зенкевичем воспитаны многочисленные ученые-зоологи. Сегодня они работают практически во всех российских научных учреждениях, ведущих исследования в области океанологии и морской биологии.
Л.А. Зенкевич — автор многих научных трудов по биогеографии морей России, в том числе монографий «Фауна и биологическая продуктивность моря», «Моря СССР», «Мировой океан».
За книгу «Моря СССР, их фауна и флора», переведенную на ряд языков мира, ученый был награжден золотой медалью имени Ф.П. Литке Географического общества СССР, за монографию «Биология морей СССР» в 1963 году — удостоен Ленинской премии.
Именем Л.А. Зенкевича названы многие виды и роды морских животных различных систематических групп, в том числе редкий глубоководный вид ошибневых рыб — бассоцет Зенкевича, обитающий в Курило-Камчатской впадине.
Основные труды:
- Зенкевич Л.А. Мировой океан. – 1951. - Т. 1. - 505 с.
- Зенкевич Л.А. Моря СССР. 1947 г. Т. 2 588 с.
- Зенкевич Л.А. Фауна и биологическая продуктивность моря. - М.: Сов. наука, 1947. - Т.1-2.
- Зенкевич Л.А. Моря СССР, их фауна и флора. - М.: Учпедгтз, 1951.
- Зенкевич Л.А. Исследования Мирового океана. - М.: Знание, 1961.
- Зенкевич Л.А. Биология морей СССР. - М.: Изд-во АН СССР., 1963. - 740 с.