C'est en 1978 qu'elle réalise son premier court métrage intitulé Laurent Lamerre, portier. En 1979, elle réalise un long métrage de fiction en noir et blanc, Strass Café. Ce film remportera plusieurs prix, dont celui du Festival des femmes à Sceaux, en France (1981). À la même époque, elle participe à une série télévisée faite pour et par des minorités culturelles à Radio-Québec et intitulée Planète et Eva en transit (1980-1981) et assure un enseignement à l'Université du Québec à Montréal.

Elle poursuit parallèlement son travail de fiction au cinéma, sur des sujets qu'elle veut au plus près de ses émotions. Dans La Femme de l'hôtel (1984), elle aborde le thème de l'aliénation urbaine à travers trois femmes qui errent dans la ville en cherchant à combler leur besoin d'identité. Cette quête de soi est au coeur de ses films suivants : Anne Trister (1985) et À corps perdu (1988).

Semi-autobiographique Anne Trister relate les épisodes de la vie de Léa Pool, de son arrivée à Montréal à l'âge de 25 ans jusqu'au début de la trentaine, montrant le poids de l'exil et de la judéité, et l'importance de la proximité féminine et du possible désir homosexuel. 

À corps perdu, adaptation du roman d'Yves Navarre Kurwenal, raconte l'histoire d'un photographe-reporter qui revient d'une affectation en Amérique latine. Nous y côtoyons l'univers intime d'un ménage à trois qui se désagrège pour faire place à une seule voix, celle de l'homme.

Tôt dans sa carrière, Léa Pool s'inspire des œuvres de l'auteure Marguerite Duras dont les obsessions lui sont proches. Elle est une cinéaste  de l'introspection dont l'oeuvre a été cataloguée comme « cinéma de femmes » ou « cinéma féministe ». Lea Pool rejette cependant le discours « puriste » féministe des années 1970 sur le jeu des rapports hommes-femmes, préférant suggérer une approche du personnage féminin plus intimiste et non traditionnel. Elle revendique le droit à l'égalité dans la création. Elle s'oppose aux stéréotypes et préfère l'individualité. Son cinéma vise à exprimer une certaine poétique plutôt qu'un reflet réaliste du monde.

À la fin des années 1980, son horizon s'élargit; elle part à la conquête de l'Amérique avec Hotel Chronicles (1989). Elle exprime dans ce film un déroulement chronologique qui ressemble à un journal de bord. Ses personnages sont en déséquilibre, sans quotidien et en transition. La cinéaste revendique le fait que chaque film doive avoir sa propre signature et, dans ses autres productions, elle remettra en question aussi le métier de cinéaste et le processus de création. Son esthétique devient beaucoup plus épurée et se concentre sur l'expérience des femmes en cherchant un point de vue précisément féminin : La Demoiselle sauvage (1991), Mouvements du désir (1994), Emporte-moi (1999) et Lost and Delirious (2001).

En 1991, Léa Pool réalise et scénarise une dramatique intitulée Rispondetemi, qui s'insère dans la série Montréal vu par… Il s'agit du fascinant voyage d'une femme que vacille entre la vie et la mort à travers une rêverie. Elle poursuit sa lancée en réalisant deux documentaires pour la télésérie bilingue Femmes : une histoire inédite (1994-1996). Elle y traite à la fois du passé et du présent, plus précisément du corps, du pouvoir, de la connaissance, du travail et de l'identité. Son apport à cette série sera Tango des sexes et Échos du futur (documentaires datant tous deux de 1996). La même année, elle réalise Lettre à ma fille, documentaire produit pour le Musée de la civilisation de Québec à l'occasion de l'exposition « Femmes, corps et âme ».

Puis, séduite par l'auteure canadienne Gabrielle Roy, Léa Pool réalise un autre documentaire intitulé Gabrielle Roy (1997) dans lequel elle nous entraîne sur les chemins difficiles que l'écrivaine avait dû parcourir lors de l'écriture du roman Bonheur d'occasion.

Emporte-moi (1999) raconte une année dans la vie d'une adolescente en pleine crise d'identité. Léa Pool travaille à la scénarisation de ce film en collaboration avec Nancy Huston. Presque autobiographique, ce long métrage de fiction raconte l'histoire de Hanna, fille d'un père juif apatride, poète inconnu, et d'une mère fragile qui travaille à assurer la subsistance de la famille. Le film porte sur ses racines et son histoire familiale. Il a remporté le prix spécial du jury œcuménique au 49e Festival international de Berlin ainsi que bien d'autres distinctions, dont le prix Jutra (2000) et le prix du jury au Festival international du film de Toronto (1999).

The Blue Butterfly (2002), coproduction Québec/Grande-Bretagne, gros budget de plusieurs millions de dollars, a été tourné en anglais et en espagnol, puis doublé en français sous le titre Le Papillon bleu. Léa Pool, qui jusque-là avait réalisé des films de répertoire, vise, avec ce film, le grand public. Il relate l'histoire d'un jeune garçon de dix ans atteint d'un cancer et qui rêve d'attraper le plus beau papillon au monde, le Mariposa Azùl, qu'on ne retrouve que dans les forêts tropicales de l'Amérique du Sud. La réalisatrice continue d'y explorer les croisements entre le réel et l'image de ce réel...