Son activité de recherche a accompagné la naissance vers 1960, puis le développement d’une nouvelle branche de l’astronomie tournée vers l’observation des astres par leur rayonnement infrarouge, à l’aide de télescopes situés à la surface de la Terre, mais aussi à bord d’avions ou de satellites-observatoires. Dans ce but, il a développé de nouveaux outils, tournés tout particulièrement vers la production d’images de très grande résolution, appliquées à l’étude de la surface et de l’environnement d’étoiles jeunes ou évoluées, ainsi que du milieu interstellaire. Il a contribué à l’introduction de l’optique adaptative en astronomie, afin de corriger les effets délétères de l’atmosphère terrestre sur les observations, et formé de nombreux chercheurs dans ce domaine. Mettant en oeuvre des idées introduites par le français Antoine Labeyrie, il est l’un des artisans du nouveau télescope européen VLT au Chili (Very Large Telescope) pour en faire un interféromètre de haute résolution et l’appliquer notamment à l’observation des planètes extra-solaires.

Le Professeur Léna a présidé la Société française de physique, ainsi que l’Institut national de recherche pédagogique. Son intérêt pour les questions d’éducation scientifique et de pédagogie l’ont conduit à des émissions à la télévision, à écrire plusieurs ouvrages et à s’impliquer, en France et dans d’autres pays, dans la réforme de l’éducation scientifique à l’école primaire (La Main à la pâte). Il est depuis 1991 membre de l’Académie des sciences, de l’Academia Europaea et depuis 2001 membre de l’Académie pontificale des sciences. Il est également Vice-Président de l’Association Bernard-Grégory et président du Comité d'éthique du CNRS. Au sein de l'Académie des sciences, il a été élu fin 2005 Délégué à l'éducation et la formation Quelques ouvrages

Lumières. Une introduction aux phénomènes optiques, avec A.Blanchard, InterEditions, 1990.
Observer l'Univers, in La Science au Présent, Encyclopaedia Universalis, 1993.
Astrophysique : méthodes physiques de l'observation. 1è éd. 1986, 2nd éd. revue et augmentée 1996, avec F.Lebrun & F.Mignard, InterEditions/CNRS Editions. (traduit en anglais, Astrophysical Observation, Springer, 1er éd. 1988, 2è éd. 1998, édition en chinois en préparation 2001).
High Angular Resolution in Astrophysics, NATO ASI Series, C.501, Lagrange, A.-M., Mourard, D. & Léna, P. éd., Kluwer, 1997.
Adaptive optics for Astronomy, (F. Roddier Ed.), Cambridge Unviersity Press, 1998.

L'espace pour l'homme, coll. Dominos , Flammarion, 1993 (traduit en coréen et portuguais)
La main à la pâte. L'enseignement des sciences à l'école primaire. Ouvr. coll. présenté par G.Charpak, Flammarion, 1996 (traduit en portuguais, vietnamien, arabe, chinois).
Les Sciences du ciel. Sous la direction de P.Léna, Flammarion, 1996.
Le Trésor, dictionnaire des sciences. Ouvr. coll. dirigé par Michel Serres et Nayla Farouki. Flammarion, 1997.
Paysages des sciences, Ouvr. coll. dirigé par Michel Serres & Nayla Farouki, Le Pommier, 1999.
La science, avec Yang Huanming, Coll. Proches lointains, 2003, Desclée de Brouwer
L ‘enfant et la science. L’aventure de La main à la pâte. Avec G. Charpak & Y. Quéré, Ed. O. Jacob, Paris, 2005, à paraître.

Eclipse 73, film documentaire réalisé par M.Dassonville, Service du Film de recherche scientifique, Paris, 1974.
Tours du Monde, Tours du Ciel. Dix heures d'émission pour la télévision, en collaboration avec Michel Serres. Auteur et réalisateur R.Pansard-Besson. La Sept/France3, dix cassettes Hatier/Arte, 1990.