Дальнейшей детализации биографии Леонтия Византийского мешает наличие множества Леонтиев, действовавших в ту эпоху (перечисляются 28 Леонтиев). Фридрих Лоофс приводит список из 20 исторических личностей, упоминаемых в документах Юстиниановой эпохи под этим именем. Однако и Фридрих Лоофс, и позднейшие исследователи определили круг лиц, которые могут быть тождественны Леонтию Византийскому: 1) Леонтий-оригенист, который несколько раз упоминается в «Житии Саввы Освященного» Кирилла Скифопольского, важнейшем и самом подробном источнике сведений о жизни Леонтия Византийского; 2) апокрисиарий Леонтий, участник собеседования с монофизитами, которое состоялось в 532 г., когда император Юстиниан I Великий ослабил гонения против сторонников концепции «единой природы» и собрал в Константинополе для консультаций монофизитских и православных епископов; как передаёт Иннокентий Маронийский в «Письме фессалоникийскому пресвитеру Фоме», в свите православных делегатов был «Леонтий, муж почтенный, монах и апокрисиарий отцов святого града [Иерусалима]»; 3) Леонтий, участник Константинопольского собора 536 г., созванного для осуждения монофизитов; он упоминается как наблюдатель на первых четырёх сессиях Собора и как подписавший три соборных послания: папе Римскому Агапиту I, императору Юстиниану I Великому и Константинопольскому патриарху Мине; в четырёх случаях он именуется «Леонтий монах, игумен и представитель всей пустыни» (в одном из них в титуле выпадает слово «игумен»); в некоторых случаях используется титул «Леонтий монах, получивший слово от святых отцов, что в пустыне» или «Леонтий монах и игумен своего монастыря и [представитель] святых отцов, что в пустыне и на Иордане»; 4) монах Леонтий Скиф, член делегации Иоанна Максенция, отправившейся в 519 г. в Рим, чтобы подтвердить православность изобретённой ими формулы «Один из Святой Троицы, пострадавший плотью»; он упоминается в письме императора Юстиниана I Великого папе Римскому Гормизду, также его подпись стоит под письмом скифских монахов африканским епископам. Леонтия Скифа перестали отождествлять с Леонтием Византийским после того, как Эдуард Шварц обратил внимание на то, что скифский монах не знал греческого языка (или знал его плохо). Это исследователи увидели из его просьбы к Дионисию Малому перевести на латынь письма Кирилла Александрийского. Многочисленные аргументы против этого отождествления приводились уже священномучеником Василием Соколовым (1916 г.), который, в частности, указывал, что Леонтий Скиф не мог называться Византийским, поскольку лишь кратковременно пребывал в Константинополе. Кроме того, в письме императора Юстиниана I Великого папе Римскому Гормизду Леонтий Скиф называется «не имеющим никакого навыка к диспутам». Некоторые исследователи ставят под сомнение отождествление Леонтия Византийского с тремя другими Леонтиями. П. Грей считает возможным отождествлять апокрисиария Леонтия не с Леонтием Византийским, а с Леонтием Иерусалимским, автором трактатов «Против монофизитов» и «Против несториан». Вадим Миронович Лурье склоняется к тому, что Леонтий Византийский был современником Собора 553 г., а тождество с первыми тремя Леонтиями считает «ничуть не менее гипотетическим». Однако исследователи отмечают, что свидетельства об этих Леонтиях хорошо сочетаются со сведениями из подлинных сочинений Леонтия Византийского, и потому данные отождествления принимаются большинством исследователей.