Биков із дружиною Тамарою Костянтинівною та двома дітьми Олексієм і Мар'яною переїхав до Ленінграда, де на «Ленфільмі» йому дали можливість спробувати себе в кінорежисурі. Після спільної з Г. Раппопортом короткометражки «Як мотузочка не в'ється…» він зняв свій перший художній фільм – ліричну комедію «Зайчик» (1964 p.), де виконав головну роль. Картина про наївного і боязкого гримера зі зворушливою і делікатною душею більше року пролежала на полиці. Тема маленької людини була неактуальна в роки, коли був потрібний герой – оптиміст, переможець, будівник комунізму. Критика фільм дружно лаяла. Утім, і Биков-режисер вважав його не дуже вдалим. У розмові з Симоновим він заявив: «На мені весь середній радянський кінематограф тримається». Керівництво «Ленфільму» до режисури його більше не допускало, та й сам він туди вже не рвався і навіть відмовлявся від численних пропозицій зніматися в картинах. За дев'ять років, проведених у Ленінграді, глядачі побачили актора лише в декількох фільмах: «На сімох вітрах», «Коли розводять мости», «У місті С», «Розвідники», «Обережно, бабуся!». Биков також писав сценарії і грав крихітні, але все-таки яскраві ролі в сатиричному кіножурналі «Фитиль». В одному з листів до Борисенка він зізнавався: «Уже майже рік не знімаюся. Не хочу. Відмовився від 9 сценаріїв. Не хочу брати участь у брехливих і антихудожніх речах. Звичайно, довго не протримаєшся, треба виконувати план студії. Усе частіше думаєш, що треба повертатися додому. Але в театрі, мабуть, те ж саме. У чому ж суть? Як же зробити, щоб жити на рівні? Може, це наша проклята робота?» Проте 1965 р. Л. Бикову було присвоєне звання заслуженого артиста РРФСР.

1969 р. Леонід Федорович із родиною переїхав до Києва. Але роботи до душі на кіностудії ім. О. Довженка талановитому актору теж не було. Незважаючи на тривалі простої, він не дозволяв собі братися за роль, що, за його мірками, була антихудожньою. А ось рядки ще з одного листа Викова: «Усю ніч не спав. Розповісти б усю правду, як загубили театр. Чому з Київської кіностудії пішли режисери Алов і Наумов, Хуцієв, Донськой, Чухрай? Ми нарешті почали судити людей за недбале ставлення до техніки. А коли ми нарешті почнемо судити за злочинне ставлення до людей? Найстрашніше – суспільна байдужість. Догідництво. Культ міг вирости тільки на ґрунті догідництва».

Биков недарма занурився в режисуру. Йому необхідно було виговоритися, виплеснутися, змусити прислухатися до найважливішого для нього – теми війни, дружби на війні, любові і молодості в суворий воєнний час. Створений наприкінці 1960-х pp. разом з Онопрієнком і Сацьким сценарій фільму про льотчиків Леонід Федорович пробивав на студії кілька років. Кіноначальники вважали сценарій «негероїчним» і навіть видали для зйомки чорно-білу вузькоформатну плівку, згодом представивши це як авторський задум – подобу військової хроніки. Але для одного з кращих фільмів про Велику Вітчизняну війну колір не головне. «У бій ідуть лише “старики”» (1973 р.) – «реквієм солдату, який не повернувся з війни». Він присвячений юнацькому бажанню режисера стати льотчиком, пам'яті кращого друга Віктора Щедронова (Смаглявка), збитого в Чехословаччині у квітні 1945 р.

Акторів на головні ролі Биков відбирав сам. Він насилу відстояв перед керівництвом Держкіно УРСР свого улюбленого ленінградського актора і друга Смирнова, з яким познайомився на зйомках фільму «Зайчик». Колективом Леонід Федорович керував ненав'язливо – не по-режисерськи, а по-людськи. Його любили всі: костюмери, гримери, освітлювачі, – чекали, коли почне зйомки, коли на майданчику пролунає його голос, коли він усміхнеться своєю трохи сумною усмішкою. Творча група стала для нього родиною не тільки на час зйомок. Смерть Бикова не надовго пережили Смирнов, Подгорний і Іванов, але їхні герої – Макарич, Смаглявка і Кузнєчик, як і вся «друга співаюча» ескадрилья на чолі зі своїм Маестро, ось уже 30 років ятрять душі глядачів, не дозволяють забути «тих, хто не повернувся з бойових вильотів».

На Всесоюзному фестивалі в Баку фільм одержав почесний приз. Від головної нагороди режисер відмовився на користь «Калини червоної», скромно зазначивши: «У списку, де буде Василь Шукшин на першому місці, я матиму за честь бути хоч сотим. Адже моя картина – це рядовий фільм про війну, а його – це справжній прорив у заборонену зону, прорив у сферу того, про що раніше й думати не дозволялося».

Після виходу картини, що тільки за один рік зібрала понад 40 млн глядачів, ставлення чиновників до Бикова не змінилося. Вони, як і раніше, не вважали його успішним режисером, а про «Стариків», які вийшли, відгукувалися приблизно так: фільм наївний і простий до смішного; нашвидкуруч склеєний, без особливих режисерських шукань; сценарій легковажний; усі персонажі нагадують опереткових героїв. Такими ж були відгуки на картину «Ати-бати, йшли солдати» (1976 p., Державна премія УРСР). Так, критик Р. Корогородський безапеляційно заявляв: «Зокрема, вважаю прямолінійним монтаж, де кров загиблих воїнів перетворюється на гвоздики. Асоціативність тут оголювалася до простого дидактичного висновку. Образи сучасників, за винятком Ганни, виявилися малоцікавими, просто статичним антуражем. Невиправдано ускладненою була і композиція твору». Але фільм викликав у глядачів почуття глибокого потрясіння, і навіть смішні епізоди викликали рясні сльози співпереживання. Кожен герой укарбувався в пам'яті назавжди.

Мало кому відомо, що «циганочку з виходом» єфрейтор Святкін (Биков) виконував, уставши з лікарняного ліжка після другого інфаркту (перший з ним трапився у боротьбі за свого «Зайчика»). Монтажер фільму Голдабенко згадувала: «Він був людиною незвичайною, заперечувати ніхто не стане. Його любили люди, захоплювалися ним. Але чому ми не врятували його? Знали ж, що трагедію людина носить у серці… Тоді, 1976 року, коли, до речі, він написав відомий “Заповіт”, у нього були складні стосунки із сином, зі студією, з Держкіно УРСР… Але душу він нікому не відкривав! Переживав усе в собі».

Леонід Федорович дуже любив свою родину, але там цього не цінували. Дружина-інвалід Тамара Костянтинівна, що не відбулась як акторка театру, страждала на повільноперебіжну шизофренію, яку успадкував син. Лесь завдавав батькові багато неприємностей. Його доводилося постійно «викуповувати» з кримінальних справ. Е. Косничук, редактор фільму «У бій ідуть лише “старики”», розповідає, що, «працюючи на кіностудії, Лесь обкрадав іноземців. Одного разу пограбував ювелірний магазин і розгромив кілька наметів. Рятуючи сина від суду, всі гроші, отримані за “Стариків”, Биков віддав лікарям, аби ті заховали Леся в Павловську психіатричну лікарню». Друзі Бикова дивувались атмосфері, що панувала в їхньому будинку: «старі обідрані меблі, на кухні гора немитого посуду, скрізь бруд, на підвіконнях величезний шар пилу. Льоня міг з'їсти за день одну цукерку і випити три кухлі чаю». Поведінка сина, вступаючи в контраст із кристальною чесністю Леоніда Федоровича, майже донкіхотською боротьбою з несправедливістю і неправдою, яку вів усе своє життя, виснажувала душевні та фізичні сили батька.

Можливо, саме тому свій останній фільм «Прибулець» Биков хотів присвятити темі боротьби за людську гідність, проти лицемірства, байдужості. Він мріяв зіграти дві ролі: колгоспника-землянина Тишкіна і прибульця з Рюма. Цю ж думку підтримує і Голдабенко: «Биков для мене – прибулець з іншої планети. Недарма він так хотів зняти фільм про прибульця з планети Рюм. Не випадково акторські проби до фільму “Прибулець” – це вже міні-фільм, у якому весь Биков, його задум, його людська суть. Але чому доля зупинила на цьому шляху? Можливо, ще не час було розкрити людям смисл приходу на Землю такої людини?!»

Через три дні після закінчення проб, 12 квітня 1979 p., Леонід Биков загинув в автомобільній катастрофі під Києвом. З'явилося багато домислів, пов'язаних із цією трагедією, і їх більшу частину породив «Заповіт», адресований друзям Іванові Миколайчуку і Миколі Мащенку за три роки до смерті. Ось фрагменти з нього. «Дорогий Іване! Дорогий Миколо! Звертаюся до вас із проханням важким і не дуже вдячним. Ніколи і нікому не повірте, що я наклав на себе руки. Просто, якщо це трапиться, знайте, що я зносився…А тепер про зовсім смішне. Похорон – марудна справа… Якнайшвидше винести з будинку, щоб не мучити моїх…Ніяких оркестрів. Ніяких студій, Будинку кіно (спілка), боже борони. З будинку прямо туди, куди слід. Це мій крик, благання. Без цирку, який називається почестями. Ніяких надгробних промов, бо я встану і піду: трапиться конфуз. Тільки хтось із вас один, кому захочеться, скаже одне слово: ПРОЩАВАЙ. Це щоб якось поставити крапку, бо нас не зрозуміють. А потім нехай 2-га ескадрилья вріже «Смаглявку» від початку й до кінця… Дуже шкодую, що нічого не встиг зробити путнього. Ви помітили, що режисер я не за дипломом, а за покликанням? Навіть свій похорон режисую?! Оце дає! Спасибі і бувайте!»

Останню волю Леоніда Бикова, завдяки втручанню В. Щербицького, виконали. М. Мащенко згадував, що коли заспівали «Смаглявку», він «таких ридань ніколи не бачив, витримати не можна було».

Пам'яті цієї незвичайної людини присвячено фільм «…якого любили всі» і книга-спогад його друзів «Будемо жити!». Його ім'я носить одна з малих планет, у Краматорську – літак Су-27, у Василькові – МіГ-29, на бортах яких написано «Маестро. Леонід Биков». На них літають кращі екіпажі України. 2002 р. перед Палацом культури ім. Леніна в Краматорську встановлено пам'ятник Леонідові Бикову. Життя актора, режисера, людини, який «не вмер, а, хочеться вірити, полетів на іншу планету», триває… «Будемо жити!»