Schlussendlich wechselte sie im Herbst des selben Jahres an die Technische Hochschule in Darmstadt, wo sie sich erfolgreich als ordentliche Hörerin für das Maschinenbaustudium inskribieren konnte. Ein Jahr später, sattelte sie auf Hochbau/Architektur um und absolvierte im Dezember 1922 die Diplom-Hauptprüfung. 

Nach ihrem Studienabschluss arbeitete sie in Darmstadt und Berlin im Siedlungsbau und konnte unter dem Einfluss von Mendelsohn und Gropius an Villenbauten mitwirken. Von 1926 bis 1928 lebte sie in Moskau und betätigte sich in Baugenossenschaften beim Bau von Arbeitsheimen.
Nach ihrer Rückkehr aus Russland, sprach sie am 25. November 1928 beim Gründungskongress des Bundes der Freunde der Sowjetunion im Festsaal des Ingenieur- und Architektenvereins in Wien, über die Bautätigkeiten im neuen Russland und verfasste hierzu einige Artikel, die in renommierten Fachzeitschriften publiziert wurden. Zum Beispiel in der von Ernst May herausgegebenen Zeitschrift: Das neue Frankfurt sowie in der Zeitschrift des Deutschen Werkbunds Die Form. Als schreibende Architektin berichtete sie über das sowjetische Baugeschehen und setzte sich kritisch mit den aufbrechenden Gegensätzen in der sowjetischen Gesellschaft auseinander.
Sie nahm in den darauffolgenden Jahren an zwei CIAM-Kongressen teil:
1929 an der CIAM II in Frankfurt am Main: „Die Wohnung für das Existenzminimum“ und 1930 an der CIAM III in Brüssel: „Rationelle Bebauungsweisen“.
Bei einen längeren Auslandsaufenthalt, 1930 in Arosa, Schweiz, hatte sie Gelegenheit an den verschiedensten Bauprojekten (Villen, Sanatorien und Hotelküchen) mitzuarbeiten. Hier war es vor allem der Einfluss des von ihr besonders verehrten holländischen Architekten J. J. P. Oud, der ihr half, ihren modernen Stil auszubilden. Dieser war gekennzeichnet durch schlichte Einfachheit sowie Zweckmäßigkeit.
Ihre wohl bekanntesten Spuren in Wien, sind in der Wiener Werkbundsiedlung zu finden, wo sich dieser reduzierte Stil und ihr durch klare Formen geprägtes Design, in der Einrichtung des Hauses Nummer 1 von Hugo Häring wieder findet.
Als Jüdin und überzeugte Sozialdemokratin floh Leonie Pilewski am 12. März 1938 vor der Gestapo aus Wien über die Schweiz nach Schweden und ließ sich in Stockholm nieder. 1940 heiratete sie den Schweden Olof Karlsson. Soweit bekannt ist, war sie gesundheitlich geschwächt und widmete sich in den Folgejahren der Malerei. Unter dem Namen Leonie Pilewski-Karlsson nahm sie an mehreren Ausstellungen teil. Ihre Kunst zeigt Stillleben, Blumen und Landschaften in Öl, Pastell, Gouache oder Aquarell.