В 1915 году в архангельской газете «Северное утро», где был редактором его отец, появились первые литературные опыты Леонида Леонова: стихи, театральные рецензии, очерки. В 1918 году с серебряной медалью окончил 3-ю Московскую гимназию.

В феврале 1919 года призван на службу в белую Северную армию, юнкер Артиллерийской школы Северной области. Летом 1919 окончил Артиллерийскую школу, прапорщик, служил в белой Северной армии. Летом 1920 года добровольно вступил в ряды РККА, воевал на Южном фронте. Был секретарём редакции газеты Московского военного округа «Красный воин». В армии публиковал свои статьи под псевдонимом Лапоть и Максим Лаптев. Демобилизован в 1921 году.

Вернувшись в Москву, профессионально занялся писательской деятельностью. «Очень талантлив, талантлив на всю жизнь и для больших дел», — рекомендовал молодого автора Максим Горький. «Он хорошо и долго имитировал Достоевского, так хорошо, что это вызывало сомнения в его даровитости», — вспоминал о первых леоновских книгах Виктор Шкловский. В 1922–1923 годах были напечатаные его рассказы «Бурыга» (стилизация народного поверья), «Туатмур», «Уход хама», «Халиль», а также повесть «Петушихинский пролом».

В 1923 году Леонов женился на Татьяне, дочери издателя Михаила Сабашникова.

В годы Великой Отечественной войны вместе с другими писателями выехал в эвакуацию в Татарскую АССР. Проживал в г. Чистополь. Во время Великой Отечественной войны писатель передал присуждённую ему Сталинскую премию (100 000 рублей) в Фонд обороны.

Пьеса «Метель» (начата в июле 1939 г. и закончена в апреле 1940 года) была сначала одобрена, и затем поставлена в ряде провинциальных театров. В последний раз она была поставлена в Симферополе 8 сентября 1940 г. Но затем пьеса была запрещена к постановке как «злостная клевета на советскую действительность». Постановления Политбюро ЦК ВКП(б) от 16 сентября 1940 г. и СНК СССР от 18 сентября 1940 г. осудили пьесу «Метель». После разгрома «Метели», Леонова вызвали к А. А. Жданову, где также были члены Политбюро А. А. Андреев и Маленков. Они Леонова сильно ругали, и он опасался, что его вскоре арестуют.

На заседании Президиума ЦК КПСС 18 октября 1962 г. пьеса «Метель» была «реабилитирована». Но потом опять были сложности. Новая премьера была назначена на декабрь 1963 г., но это тогда не вышло. Премьера состоялась только в 1967 году.

Внёс вклад в Сталиниану панегириком «Слово о первом депутате» («подобно горному эхо, отзывается в веках имя Сталина»).

Депутат ВС СССР 2–8 созывов (1946–1970). В 1989 году был кандидатом в народные депутаты СССР от СП СССР, но по собственному желанию отказался от участия в выборах. Считался одним из столпов социалистического реализма, регулярно получал правительственные награды (в том числе шесть орденов Ленина). В 1972 году он был избран в АН СССР.

Несмотря на лавину почестей, Леонов после войны публиковался гораздо реже, чем в довоенный период. Писал длинный и сложный роман «Пирамида».

Также занимался своей переделкинской оранжереей с цветущими кактусами, про которую Корней Чуковский рассказывал знакомым: «Хожу, вроде Дюймовочки, в тропических зарослях затерянный — это с моим-то ростом». Леонов был заместителем председателя Всероссийского общества озеленения. Также состоял членом редакционных коллегий журналов «Роман-газета» и «Наука и жизнь». В 1990 году подписал «Письмо 74-х».

Последние 20 лет, с 1974 по 1994 год, Леонид Леонов жил на Большой Никитской улице, в доме № 37. Умер во сне 8 августа 1994 года вскоре после публикации главного труда своей жизни, огромного по объёму «романа-наваждения» «Пирамида», над которым работал 45 лет. После отпевания в московской церкви Большое Вознесение похоронен на Новодевичьем кладбище (участок № 10).

В 2009 году в серии «Жизнь замечательных людей» появилась биография Леонида Леонова, написанная Захаром Прилепиным по совету Дмитрия Быкова, который относит Леонова к центральным фигурам русской литературы XX века.