Avec son frère aîné Alexis (14eme joueur mondial en novembre 2024), ils sont les nouvelles pépites du tennis de table tricolore (4eme joueur mondial en novembre 2024). Aux JO Paris 2024, Félix a remporté la médaille de bronze olympique en simple  (la première médaille pour la France depuis 24 ans et le bronze en double messieurs de Jean-Philippe Gatien et Patrick Chila ) et par équipes avec son frère Alexis et Simon Gauzy . Alexis avait quitté la compétition en simple en huitièmes de finale battu par le brésilien Hugo Calderano qui fut à son tour éliminé par Félix lors du match pour la médaille de bronze.

Le 24 octobre 2023 à 17 ans, un mois et douze jours, il est devenu le troisième joueur le plus précoce de l'histoire à avoir intégré le top-10 mondial du classement de l'ITTF (après Japonais Tomozaku Harimoto, 14 ans en 2018, et le Chinois Zhendong Fan , 16 ans en 2013) occupant la 9eme place. Aux Jeux Européens en 2023, il avait  remporté, à 16 ans, la médaille d'or en individuel en simple (en battant le Portugais Marcos Freitas) tandis que son frère Alexis gagna la médaille de bronze. Alexis avait notamment battu le n°1 mondial Fan Zhendong à Macao en avril 2023. Alexis devient champion d'Europe en simple pour devenir le troisième champion d'Europe français après Jacques Secrétin en 1976 et Emmanuel Lebesson en 2016.

Félix compte trois victoires sur le circuit WTT en simple : en octobre 2023 à Antalya en battant l'Allemand Dimitrij Otcharov (six fois médaillé aux JO dont la médaille de bronze en simple en 2012 et 2021 ; finaliste en double en 2023), Goa en Inde fin janvier 2024 (ce qui lui permettait d'atteindre la 6eme place mondiale à seulement 17 ans !) puis Montpellier en octobre 2024 après avoir écarté le n°2 mondial chinois Lin Shidong en demi-finale (mettant fin à la série de 19 victoires en WTT Champions) puis le Japonais  Tomokazu Harimoto (8eme mondial) en finale ! Aucun Européen n'avait réussi à remporter le prestigieux tournoi de Montpellier !

Deux semaines avant sa victoire à Antalya, il s'était imposé avec Alexis en double WTT de Lanzhou en Chine. Ensemble is ont remporté la médaille d'argent aux championnats du monde par équipes en 2024 (battu par la Chine), le titre européen en double en 2024, la médaille de bronze en double aux championnats d'Europe en 2022 et la médaille de bronze aux championnats d'Europe par équipes en 2023.

Le 21 avril 2023, Alexis a signé un exploit après avoir éliminé le n°1 mondial et vice champion olympique, le Chinois Fan Zhendong en quart de finales au tournoi de Macao. Six semaines avant le début des JO de Paris, il remporta le titre en simple et en double (avec Simon Gauzy ) du WTT Contender de Zagreb. Champion de France en simple en 2022, 2023 et 2024 (en battant son frère Félix en 2023 et 2024). Ensemble ils ont remporté le titre en double en 2024 (Alexis fut aussi titré en double en 2021 avec Esteban Dorr; Félix en 2022 avec Laurent Cova). Alexis a été champion de France chez les juniors en simple en 2020 et 2021.

Le 23 novembre 2024, les frères Lebrun sont devenus n°1 mondiaux en double, première historique pour une paire française, après avoir remporté la finale des WTT Finals face aux Japonais Hiroto Shinozuka et Shunsuke Tagami (3-2).

Félix a reçu le trophée du Ping en 2023, une récompense instaurée pour la première fois en 2023 par la Fédération Française de Tennis de Table.

Leur père Stéphane Lebrun a été un ancien n°7 français, champion de France en double.