Participó en varios proyectos para la televisión, siendo coprotagonista junto a Patrick Dempseyen Jeremiah y en la miniserie Cleopatra, donde interpretó a la legendaria reina. Ha participado también en las series Backstage, Inca de Oro, A Legend to Ride, y Poney Treck, además de en los filmes El Sastre de Panamá y Texas Rangers. En la televisión ha participado en Extreme Limite y Sous Le Soleil, ambas de la televisión francesa, y en la telenovela chilena Tic Tac, además de participar en la película de acción Blade II de Guillermo del Toro. En enero del 2005, la cinta mexicana Voces Inocentes, donde Leonor Varela tuvo uno de los personajes protagonistas, fue premiada por productores estadounidenses, consiguiendo el galardón dedicado a asuntos sociales Stanley Kramer en una ceremonia realizada en Los Ángeles. Este premio, que debe su nombre a un productor conocido por participar en asuntos sociales, fue compartido por Voces Inocentes y Hotel Rwanda También participó en la primera temporada de la serie de la cadena Fox Arrested Development y estuvo a punto de aparecer en la serie norteamericana E-Ring, pero un cambio de último minuto la alejó del elenco. Antes de su fallida aparición en E-Ring, Leonor había sido alejada de dos de sus proyectos más importantes; el film europeo Gigola, y el prometedor film Gilgamesh. A partir de ello Leonor se concentraría principalmente en el cine independiente, protagonizando junto a Joshua Jacksonel film Americano, dirigido por Kevin Noland. Tras ello Leonor se ha concentrado en su rol protagónico y de coproductora en el film chileno Caleuche: El Llamado del Mar, que trata sobre un mítico barco fantasma que ronda las costas del sur de Chile. También se encuentra trabajando en la comedia Where God Left His Shoes (Donde Dios dejó sus zapatos), en el thriller psicológico Expecting, donde interpretará a una latina que decide comprar un hijo en forma ilegal, en la producción Gol 2, y en la comedia para veinteañeros Gary The Tennis Coach, donde también participan Seann William Scott (American Pie) y Randy Quaid (Secreto en la montaña) Entre sus proyectos más interesantes se encuentra el film épico Love and Virtue dirigido por Raúl Ruiz y que cuenta con la participación de John Malkovich, donde interpretaría a la malvada Morgana, y la coproducción estadounidense-europea Seed of Contention Por problemas de tiempo, Leonor se retiró del elenco de ¡Pega Martin Pega!, película chilena donde interpretaría a la mujer del boxeador Martín Vargas. En octubre del 2007, interpretó a la protagonista de la miniserie Como ama una mujer, inspirada en la vida de la cantante Jeniffer Lopez. La serie, contó con 5 capítulos de 1 hora filmados en formato de cine bajo la dirección del mexicano Antonio Serrano, y fue transmitida por Univisión con altos indices de audiencia.