1866 marqua le tournant de sa carrière. Sa très remarquée collaboration avec Léon Minkus dans l’écriture du ballet à succès La Source, lui valut des commandes pour un ballet de plus grande ampleur : Coppélia, ou la Fille aux yeux d’émail (1870), d’après le conte L’Homme au sable, d’E.T.A. Hoffmann, qui connut un réel triomphe.
On lui doit aussi des œuvres telles des opérettes, des pastiches et des farces pour lesquelles il s’associa à Jacques Offenbach et à d’autres compositeurs d’opéras-comiques. Nommé professeur de composition au Conservatoire (1881) il devint membre de l’Institut trois ans plus tard.
Parallèlement, il s’attachait à affiner son écriture lyrique. Le 14 avril 1883, à l’Opéra Comique, il présentait son chef-d’œuvre, Lakmé, d’après une nouvelle de Pierre Loti (livret d'Edmond Gondinet et Philippe Gille) , dont certaines scènes orientales sont illustrées par une musique à l’exotisme très innovant, sans oublier les célèbres Air des clochettes, morceau de bravoure pour les sopranos coloratures, et le Duo des fleurs.
Il disait : « Pour ma part, je suis reconnaissant à Wagner des émotions très vives qu’il m’a fait ressentir, des enthousiasmes qu’il a soulevés en moi. Mais si, comme auditeur, j’ai voué au maître allemand une profonde admiration, je me refuse, comme producteur, à l’imiter. » C’est ainsi qu’il composa une musique légère, gracieuse et élégante.
A sa mort, il laissait un catalogue d’une soixante d’œuvres dont Kassya, opéra inachevé qui fut par la suite orchestré par Jules Massenet.
Sa mort soudaine attrista sincèrement ses proches comme le monde de la musique. Elles furent : « [...] ce qu'elles devaient être, profondément recueillies et attendrissantes […] cette mort subite qui venait de frapper, non seulement un grand musicien français dans le plein épanouissement de son talent, mais encore l'homme charmant que tous avaient connu, l'ami excellent que beaucoup avaient à pleurer. Jamais on ne vit de visages plus attristés, ni de larmes plus sincères. Et c'était un véritable amoncellement de fleurs, venues de tous les coins de la France, comme si on eût voulu cacher sous les couronnes et les palmes vertes tout ce deuil et toute cette douleur qui pesaient lourdement et malgré tout, sur ceux qui menaient le cher Delibes vers sa dernière demeure ».
Pendant le service funèbre, Charles Widor tenait les grandes orgues. L'orchestre de l'Opéra-Comique était là aussi pour interpréter quelques pages des œuvres de Delibes, celles qui pouvaient se mieux prêter à la triste cérémonie.
Très entouré, Léo Delibes fut inhumé au cimetière de Montmartre. Sa tombe est ornée d’un médaillon de Chaplain (1839-1909).
Il avait épousé Léontine Estelle Denain, la fille de l’actrice, Mlle Denain. Toutes deux reposent dans le même cimetière mais dans une autre division.