Родился 31 мая 1899 г. в Москве в семье поэта. Учился в городском училище, затем в гимназии. С 1915 по 1918 г. в газетах «Северное утро» и «Северный день» были опубликованы первые стихи Леонова, а также театральные рецензии, очерки. В годы Гражданской войны он служил в Красной армии, участвовал в боях на Южном фронте, работал во фронтовых газетах. В 1921 г. вышли рассказы Леонова, положившие начало его литературной биографии («Петушихинский пролом», «Конец мелкого человека» и др.). Широкую известность принёс автору первый роман «Барсуки» (1924 г.). В романе «Вор» (1927 г.; 2-я редакция 1959 г.) описан мир социального дна. Конец 20-х гг. стал переломным моментом в творчестве Леонова. В своих произведениях писатель продолжал изображать гибнущие в мещанской трясине человеческие порывы («Провинциальная история», «Унтиловск», оба 1928 г., и др.), косность и жестокость деревни («Необыкновенные рассказы о мужиках», 1928 г.) и в то же время начал работать над «Сотью» (1929 г.) — одним из первых романов об индустриализации. В конце 30-х — начале 40-х гг. Леонов выступает преимущественно как драматург. Пьесы «Половчанские сады» и «Волк» (обе 1938 г.) шли во МХАТе и в Малом театре. Во время Великой Отечественной войны Леонов написал одну из лучших своих пьес — «Нашествие» (1942 г.; Сталинская премия 1943 г.). Самое значительное произведение Леонова — роман «Русский лес» (1953 г.; Ленинская премия 1957 г.). Послевоенное творчество писателя разнообразно.

Им созданы пьеса «Золотая карета» (3-я редакция 1964 г.), киноповесть «Бегство мистера Мак-Кинли» (1961 г.). В 80-х гг. были опубликованы фрагменты из романа «Пирамида». Над этим произведением Леонов продолжал работать последние годы жизни, но так и не закончил его. Умер писатель 8 августа 1994 г. в Москве.