L. studierte Chemie und Medizin und wurde 1865 in Berlin zum Dr. med. promoviert. 1867 übernahm er die Leitung der chemischen Abteilung des Pathologischen Instituts der Charité, habilitierte sich 1868 auf dem Gebiet der Pharmakologie und wurde 1871 a. o. und 1872 o. Professor und Lehrstuhlinhaber für Pharmakologie an der Friedrich-Wilhelms-Universität (heute Humboldt-Universität), wo er das Pharmakologische Institut, Luisenstraße 25, gründete und dessen erster Direktor bis 1908 war. Daneben wirkte er auch an der militärischen Bildungsanstalt, der späteren Kaiser-Wilhelm-Akademie, deren Senat er angehörte. Er entdeckte das Protagon als wesentliche phosphorhaltige Substanz des Gehirns, die narkotische Wirkung des Chloralhydrats und führte das Lanolin als Salbengrundlage ein. L., der Vorsitzender der Hufeland-Gesellschaft sowie Gründer und Vorstand der Balneologischen Gesellschaft war, wohnte in der Neustädtischen Kirchstraße 9 und ist beigesetzt auf dem Friedhof der Kaiser-Wilhelm-Gedächtniskirche in Charlottenburg (Ehrengrab). Das Arzneimittel Lanolin Liebreich wurde nach ihm benannt.