Năm 1939 ông đỗ phó Chi bảng (Lý - Hoá - Sinh) và được cấp học bổng sang Pháp du học. Sang Pháp ông học tại trường Sư phạm Cao cấp (Ecole Normale Supérieure) ở Paris rồi lại nhận được học bổng du học tại Đức. Năm 1945 ông đỗ bằng Tiến sỹ ở Đức, sau đó ông lại quay về Pháp và bảo vệ thành công luận án Tiến sỹ ở Pháp năm 1948. Lúc đó ông vừa tròn 30 tuổi. Trước sự xuất sắc của ông, nhiều nước như Pháp, Đức, Thụy Sỹ đã lần lượt mời ông đến giảng dạy. Những thành tựu toán học của thầy Lê Văn Thiêm ở Châu Âu đã nâng ông lên thành một nhà khoa học quốc tế có tên tuổi. Nhiều nước đã công nhận ông là người mở đầu cho một hướng nghiên cứu mới trong lý thuyết hàm số biến phức. Ở nước ta, năm 1948, tại Đại hội văn hoá kháng chiến toàn quốc, Giáo sư Tạ Quang Bửu đã giới thiệu công trình khoa học của Giáo sư Lê Văn Thiêm và đã đánh giá rằng: “Anh thanh niên 30 tuổi này đã nghiễm nhiên đứng vào hàng ngũ bậc thầy của chúng tôi”...
Mặc dù rất được các trường Đại học nước ngoài trọng dụng nhưng Giáo sư Lê Văn Thiêm vẫn không thể quên trách nhiệm đối với đất nước. Vì thế năm 1949 ông đã từ chức Giáo sư ở trường Đại học Zu rích (Thụy Sỹ) để trở về Việt Nam. Sau 6 tháng lặn lội trong rừng ông mới về đến chiến khu Việt Bắc. Ở Việt Bắc ông cùng với những nhà tri thức hàng đầu như Trần Đại Nghĩa, Tạ Quang Bửu... tiến hành xây dựng nền khoa học và giáo dục Đại học. Lúc này, trong tay họ không hề có một cuốn giáo trình nào ngoài mấy cuốn tài liệu khoa học mà họ đem về từ nước ngoài. Vì vậy họ phải mày mò viết sách và xác lập phương pháp đào tạo. Cuối cùng họ đã lập nên được một thành tích đáng kinh ngạc, ngay sau khi hoà bình lập lại các trường Đại học ở Việt Nam đều có cán bộ giảng dạy người Việt và dạy bằng giáo trình tiếng Việt. Trong sự thành công to lớn đó có phần đóng góp không nhỏ của Giáo sư Lê Văn Thiêm - người Hiệu trưởng đầu tiên của trường Khoa học cơ bản và trường Cao đẳng sư phạm ở chiến khu Việt Bắc.
Giáo sư Lê Văn Thiêm nổi tiếng vì ông gắn liền với rất nhiều cái “đầu tiên”, ông là người Việt Nam đầu tiên thi đỗ vào trường Ecole Normale Superieure de Paris - trường hàng đầu trong việc đào tạo các nhà khoa học ở Pháp. Ông cũng là nhà khoa học Việt Nam đầu tiên đạt được học vị Tiến sỹ quốc gia (học vị cao nhất ở Pháp). Ông là ngưòi Việt Nam đầu tiên trở thành giáo sư toán học tại một trường Đại học Châu Âu. Ông cũng là người đầu tiên trở thành Chủ tịch Hội toán học Việt Nam, Viện trưởng đầu tiên của Viện Toán học Việt Nam. Ông là Tổng biên tập đầu tiên của hai tờ báo Toán học Việt Nam là Vietnam Jaurnal of Mathematies và Acta Mathematica Vietnamica... và có rất nhiều cái “đầu tiên” khác nữa mà nhiều người không nhớ. Chỉ có một điều mà không ai có thể quên được đó là những cống hiến của ông cho nền khoa học Việt Nam. Giải thưỏng Hồ Chí Minh, Huân chương độc lập hạng nhất cùng với các giải thưởng dành cho ông là minh chứng xứng đáng cho điều đó.
Thầy Lê Văn Thiêm để lại nhiều ấn tượng sâu sắc, tốt đẹp trong giới khoa học thế giới và Việt Nam. Những học sinh, sinh viên của ông đào tạo ngày nay đã trở thành những nhà khoa học, nhà giáo dục xuất sắc. Họ khẳng định rằng ông là một người thầy trung thực, kể cho nhau nghe những kỷ niệm tuyệt vời về ông - nhà khoa học, người thầy mà họ mãi kính yêu.
Vũ Ngọc Khánh