С мая по декабрь 1930 года занимал должность дивизионного артиллериста дивизиона эсминцев Черноморского флота. Затем служит помощником командира эсминца «Шаумян», командиром сторожевого корабля «Шквал», эсминца «Петровский», командиром лидера «Москва» и лидера «Харьков». В 1937–1938 годах – начальник штаба бригады крейсеров ЧФ. Участвовал в доставке оружия в республиканскую Испанию. Затем Л.А. Владимирский командовал особым отрядом судов, осуществлявших переход из Ленинграда во Владивосток. С июня 1939 года Л.А. Владимирский – командующий эскадрой ЧФ. В 1940 году стал контр-адмиралом. С началом Великой Отечественной войны корабли эскадры под командованием Владимирского наносили удары по портам Румынии, участвовали в проведении боевых действий при обороне Одессы и Севастополя. Во время проведения Керченско-Феодосийской десантной операции Владимирскому было поручено руководство кораблями отряда высадки. В 1942 году Л.А. Владимирскому было присвоено воинское звание вице-адмирал. В апреле 1943 года Л.А. Владимирский был назначен на должность командующего ЧФ. Во время проведения Новороссийско-Таманской наступательной операции в сентябре – октябре 1943 года грамотно организовывал поддержку наступающих войск десантами, огнём кораблей и ударами авиации флота.
Ветераны пишут о Владимирском как о порядочном, выдержанном и вежливом человеке, обращавшемся на «вы» со всеми и не позволявшем себе никогда повышать голос на подчиненных, что отличало его в лучшую сторону от большинства тогдашних генералов и адмиралов. Впрочем, многие считали Владимирского слишком мягким для должности командующего флотом. Нарком ВМФ Н.Г. Кузнецов писал о нем так: «Владимирский был прямым и честным. Всегда открыто высказывал свои взгляды, смело брал на себя ответственность… Мягкий и добрый, он в то же время был неуклонно требователен». Среди ветеранов существует мнение и о патологической «невезучести» Владимирского…
Историк ВМФ капитан 1-го ранга А.В. Платонов пишет: «… Владимирский неоднократно проявлял себя как неплохой военачальник. Но вот как флотоводец… Единственную лично им спланированную и проведенную операцию на румынских коммуникациях в конце ноября 1942 г. нельзя признать успешной… Но тогда ведь не хватило буквально чуть-чуть… Вот только чего: опыта или знаний? Но знания, в том числе, дают и возможность адаптации личного опыта к новым условиям обстановки, возможность его расширенной трактовки… В апреле 1943 года Л.А. Владимирский назначается командующим Черноморским флотом, минуя должность начальника штаба флота. Трудно сказать, в какой мере он оказался готов к должности командующего флотом. У Л.А. Владимирского был большой опыт корабельной службы, но штабной работы он не знал… В тех специфических условиях применения сил флота, по-видимому, нужен был несколько иной опыт службы, чем был у чисто корабельного офицера Л.А. Владимирского. Его пребывание в должности не отмечено какими-либо заметными успехами на морском направлении, в том числе в блокировании группировки германских войск на Таманском полуострове. Зато практика