Dal 1755 al 1785 fu impegnato, direttamente o solo per consulto, nelle più importanti imprese idrauliche e stradali in Toscana e in Italia.

Ricerca pura e indagine sul campo si riscontrano nelle sue invenzioni, realizzazioni e nei suoi scritti di idraulica. In essi viene usata l'espressione "riduzione fisica" per "quella serie di operazioni che si praticano in tutti i paesi ben regolati: l'uso di canali e scoli maestri delle pianure maremmane; lo scarico delle acque dei laghi e delle paludine; il serrare le aperte arginature dei fiumi". Ximenes, precursore della bonifica integrale, così come nel R.D. 215/1933, affermò l'importanza del ripristino degli equilibri idraulici e la salvaguardia dell'assetto territoriale nel suo complesso.

Nel 1756 istituì a Firenze un osservatorio astronomico tuttora attivo. Nello stesso anno fu incaricato di rimediare all'impadulamento del lago di Bientina o di Sesto, situato fra il Granducato di Toscana e Lucca e di cui si erano occupati in precedenza gli scienziati Castelli, Borelli, Viviani e Perelli.

Il lago viene descritto da Ximenes come una bassa palude con al centro un'isola in cui nel XV sec. i monaci della Badia di Sesto edificarono la piccola chiesa di S. Benedetto a Isola.

Propose la formazione di un canale, il Nuovo Ozzeri, che dal fondo del lago di Bientina attraversasse la pianura lucchese passando sotto il letto del Serchio per scaricare nel lago di Massaciuccoli e poi alla foce di Viareggio.

Dal 1756 al 1763 realizzò quindi un complesso sistema di canali allo scopo di ottenere il ricambio costante delle acque per risolvere il problema dell'insalubrità dell'aria; in realtà non ottenne l'assetto idraulico sperato e le discussioni sul lago continuarono.

La relazione di Ximenes alla Repubblica di Lucca è datata 25 settembre 1778. Sullo stesso tema si espressero, su richiesta dei Lucchesi, Boscovich e Zanotti condividendo l'impostazione generale del progetto, seppur con contributi su aspetti secondari.

Nel 1782 fu pubblicato a Lucca il Piano di operazioni idrauliche per ottenere la massima depressione del lago di Sesto o sia di Bientina, contenente: la Relazione generale del Signor Abbate Leonardo Ximenes, le Riflessioni del Signor Abbate Rogerio Giuseppe Boscovich, l'Esame del Signor Dottore Eustachio Zanotti e finalmente una nuova Informazione del Signor Abbate Leonardo Ximenes.