В 1865 г. он получил новое назначение в Каменец-Подольский, а в 1869-м – в Гайсин. Знакомство с помощником начальника военно-учебных заведений генералом Корсаковым дало возможность устроить сына за казенный счет во Владимирскую киевскую военную гимназию, преобразованную из бывшего кадетского корпуса.
Окончив через шесть лет гимназию, Леонид поступает во второе Константиновское училище. В мае 1878 г. по собственному ходатайству молодой кадет был переведен в старший класс Михайловского артиллерийского училища, откуда в 1879 г. вышел подпоручиком.
Получить назначение в гвардию без больших связей было нереально, и Артамонов охотно поехал в 20-ю артиллерийскую бригаду во Владикавказ. Вскоре, в августе 1880 г., уже став поручиком, Леонид принимает участие в боевых действиях при штурме крепости Геок-Тепе.
Молодой офицер отлично проявил себя, и по окончании военной кампании его направили в Санкт-Петербург для поступления в Михайловскую артиллерийскую академию. Но он не прошел с первого раза конкурса и вынужденно поступил в Николаевскую инженерную академию. По ее окончании Артамонова направляют в саперные части. Там в чине штабс-капитана он служил какое-то время в Одессе и Севастополе. Его не слишком прельщала обычная строевая служба, и Леонид добивается зачисления в Академию Генерального штаба. Он заканчивает ее по первому разряду и, получив чин капитана, направляется сначала в Кавказский военный округ, а в 1890 г. – в Закаспийский, то есть в Среднюю Азию, где в полной мере проявились его дарования как военного специалиста и исследователя.
В 1882 г. Артамонов был избран действительным членом Русского географического общества за представление доклада об Ахалтекинском оазисе. Интерес к географии и географическим изысканиям у Леонида проявился еще во время его учебы в Киевской военной гимназии. И в этом было истинное призвание молодого ученого.
4 февраля 1897 г., будучи уже полковником, Артамонов был откомандирован в Главный штаб в связи с предстоящим назначением в состав чрезвычайной миссии, направляемой в Абиссинию. У России имелся свой интерес в этом районе Африки. В конце лета 1897 г. установились дипломатические отношения России с Абиссинией, и в ее столицу Аддис-Абебу направили чрезвычайную миссию, которую возглавил П.М. Власов. 19 октября 1897 г. она отбыла из Одессы. В состав миссии входил офицер лейб-гвардии гусарского полка А.К. Булатович, поступивший в подчинение Л.К. Артамонова. 9 ноября миссия прибыла в город-порт Джибути и только 4 февраля 1898 г. (более чем через год) достигла Аддис-Абебы. В пути Артамонов вел дневник, проводил разные географические наблюдения по пути следования каравана, описывал маршрут.
Артамонов прошел от берегов Красного моря на запад от Джибути до Аддис-Абебы и оттуда до Белого Нила и обратно, проделав путь более 5000 км.
Император Менелик не верил европейцам, надеясь