Сын поэта и журналиста из круга т. н. новокрестьянских поэтов М. Л. Леонова. Воспитывался в религиозно-патриархальной семье деда.
В 1915 году в Архангельской газете «Северное утро», где был редактором его отец, появились первые печатные опыты Леонида: стихи, театральные рецензии, очерки. В 1918 окончил 3-ю Московскую гимназию. Учился в 1 Моск. университете, но курса не окончил.
С 1920 г. – в Красной армии (преимущественно работал во фронтовых газетах); демобилизовавшись в 1921, вернулся в Москву и профессионально занялся писательской деятельностью.

В 1922 опубликовал прозаическую сказку «Бурыга», затем первую книгу рассказов (1923) и повести «Петушихинский пролом» (1923), «Конец мелкого человека» (1924). В 1924 вышел первый роман Л. «Барсуки» — крупное эпическое полотно, изображавшее предреволюционное московское мещанство и драматические эпизоды революционной борьбы в деревне. Глубокое знание старорусского бытового уклада дало возможность Л. создать яркие образы деревенских искателей правды, показать характеры городских торговцев и ремесленников. Пафос романа — в раскрытии неизбежности победы социалистических сил в деревне. Реализм и мастерство автора «Барсуков» были высоко оценены М. Горьким и А. В. Луначарским. В философском романе «Вор» (1927), написанном на материале наблюдений над социальным дном нэповского города, в повестях «Провинциальная история» и «Белая ночь» (обе — 1928), в «Необыкновенных рассказах о мужиках» (1928), в пьесах «Унтиловск» (1928) и «Усмирение Бададошкина» (1929) были продолжены и развиты антимещанские мотивы «Барсуков». Одновременно, в 1928—29, Л. начал работу над романом «Соть» (1930) — одним из первых в советской литературе произведений о трудовом героизме народа, строящего социализм, о превращении глухих окраин России в индустриально развитые районы. Главный герой романа — коммунист Увадьев, энергичный организатор строительства. В романах Л. «Скутаревский» (1932) и «Дорога на океан» (1935) большое место занимает художественное исследование идейной и психологической перестройки старой интеллигенции, принявшей участие в революционном преобразовании страны, изображение острой идеологической и классовой борьбы в её среде. В «Дороге на океан» ведущую роль играет образ коммуниста — организатора, философа и мечтателя, отдающего жизнь строительству коммунистического будущего.

В конце 30 — начале 40-х гг. Л. выступает в основном как драматург: пьесы «Половчанские сады», «Волк» (обе — 1938), «Метель» (1939), «Обыкновенный человек» (1941). Первым откликом Л. на Великую Отечественную войну 1941—45 явилась пьеса «Нашествие» (1942; Государственная премия СССР, 1943), за которой последовали пьеса «Лёнушка» (1943) и повесть «Взятие Великошумска» (1944). Широкое звучание в военные годы приобрела патриотическая публицистика Л. После окончания войны писатель приступил к созданию романа «Русский лес» (1953; Ленинская пр., 1957) — крупнейшего своего произведения, посвященного борьбе советских людей с фашизмом и сложным нравственным проблемам современности. Многолетняя история борьбы в русской науке о лесе, рассказ о двух типах учёных становится в многоплановом повествовании «Русского леса» страстной исповедью писателя, выражением его главных жизненных и творческих идей, где первое место занимает идея действенного и ответственного патриотизма, основанного на глубоком проникновении в дух национальной культуры и подкрепленного практическим участием в народной жизни. Здесь находят завершение долгие поиски Л. новой формы романа, сочетающей реалистическую достоверность и точность психологических мотивировок с эпической обобщенностью картин народной жизни и глубоким лиризмом повествовательного стиля. В «Русском лесе» особенно очевидно органическое соединение традиционности леоновского изображения, тесно связанного с реализмом и гуманизмом русской классической литературы, с оригинальным использованием художественного опыта 20 века. Особенно важное место в образной системе романа занимают реалистические символы и ёмкие метафоры.

Во 2-й половине 50 — начале 60-х гг. Л. возвратился к старым замыслам, создал новые варианты пьесы «Золотая карета» (1946, 2-я редакция 1955, 3-я — 1964), в 1952 — новое, коренным образом переработанное издание романа «Вор», в 1963 — новую редакцию пьесы «Метель» и в 1964 — «Нашествия». Л. доработал написанную в 1938 повесть о русской эмиграции «Evgenia lvanovna» (1963). С темами антивоенной публицистики Л. связан его сатирический кинопамфлет «Бегство мистера Мак-Кинли» (1961).
В 1972 г. Леонов был избран действительным членом АН СССР.

В 1990 году подписал антиперестроечное "Письмо писателей России".

В 1994 выходит в свет последний роман писателя «Пирамида», над которым он работал с н. 40-х, так и не доведя его до конца и издав незаконченным. Этот роман подводит итоги и собственному творчеству Леонова, и всей реалистической литературе XX в. В нем с особой отчетливостью проявилось стремление Леонова совместить в своем творчестве научную картину мира с теологической, воссоздать путь развития цивилизации, объяснить суть исторических катаклизмов в России, «где во всевозможных рассечениях представлена человеческая душа». Роман овеян трагическими предчувствиями, эсхатологическими настроениями, ощущением тревоги и грусти. Он сложен для восприятия, ибо в нем много сюжетных линий, героев, принадлежащих как к миру реальности, так и инфернальной действительности, много непростых ассоциаций, специальной (научной, мистической, богословской) терминологии. Роман отмечен временными смещениями, сложными диалогами персонажей, философскими размышлениями о прошлом и будущем человечества.

Умер 8 августа 1994 года в возрасте 95 лет в Москве. Похоронен на Новодевичьем кладбище в Москве.

Романы
Барсуки (1924)
Вор (1927, новая редакция - 1959)
Большие пожары: Роман 25 писателей (1927)
Соть (1929)
Скутаревский (1932)
Дорога на Океан (1935)
Русский лес (1953)
Пирамида (1994)

Повести
Петушихинский пролом (1923)
Конец мелкого человека (1924)
Записи некоторых эпизодов, сделанные в городе Гогулеве Андреем Петровичем Ковякиным (1924)
Унтиловск (1925)
Белая ночь (1927)
Провинциальная история (1928)
Саранча (1930)
Взятие Великошумска (1944)
Бегство мистера Мак-Кинли (киноповесть) (1961)
Evgenia Ivanovna (1963)

Пьесы
Унтиловск (1928)
Усмирение Бададошкина (1929)
Волк (1938)
Половчанские сады (1938)
Метель (1939)
Обыкновенный человек (1941)
Нашествие (1943)
Ленушка (1943)
Золотая карета (1964)

Рассказы
Деяния Азлазивона (1921)
Бубновый валет (1922)
Гибель Егорушки (1922)
Бурыга (1922)
Халиль (1922)
Туатамур (1922)
Валина кукла (1922)
Случай с Яковом Пигунком (1922)
Уход Хама (1922)
Деревянная королева (1922)
Необыкновенные рассказы о мужиках (1928)

Статьи
О мещанстве (1929)
Поездка в Маргиан (1930)
О Горьком (1932)
Шекспировская площадность (1933)
Речь на I Всесоюзном съезде советских писателей (1934)
Падение Зарядья (1935)
Неизвестному американскому другу. Письмо первое (1942)
Неизвестному американскому другу. Письмо второе (1942)
Твой брат Володя Куриленко (1942)
Голос Родины (1943)
Слава России (1943)
Немцы в Москве (1944)
Величавая слава (1944)
Утро Победы (1945)
Имя радости (1945)
Ярость, Расправа (Репортаж с Харьковского процесса) (1945)
Когда заплачет Ирма (Письмо на родину) (1945)
Гномы науки (Репортаж с Нюрнбергского процесса) (1945)
Здравствуй, сталинское племя! (1946)
Слово о первом депутате (1946)
Рассуждение о великанах (1947)
Минута молчания (1947)
Судьба поэта (1958)
О природе начистоту (1960)
Раздумья у старого камня (1968)
Разговор о теме дня (1980)
Слово о Слове (1984)
Письмо писателей России ("О русофобии") (1990)

Лауреат Номинант

Сильный (да еще и властный) характер иногда подводил Л. Леонова, осложняя отношения с людьми. Труднее всего складывалось общение с Михаилом Шолоховым. Полемический накал диалогов иногда доходил до такой крайности, что однажды, автор «Тихого Дона» посреди ночи отказался делить с Л. Леоновым гостиничный номер.

Л. Леонов обожал русскую баню и с 1919 г. собирал отзывы о ней у всех своих знакомых в стране и за рубежом. Так возникла уникальная коллекция из 493 листов комментариев, заметок, зарисовок с автографами Пикассо, Модильяни, Ильфа и Петрова, Шостаковича и др.

Трое в воронке (1941)
Нашествие (1944)
Обыкновенный человек (1957)
Русский лес (1964)
Барсуки (сериал) (1968)
Бегство мистера Мак-Кинли (1975)