Su primer deseo profesional era ser bailarina, a los ocho años comenzó sus estudios de baile clásico pero el sueño se vio truncado por una lesión en la rodilla. Decidida ya a ser actriz, dio sus primeros pinitos en teatro amateur en diversos centros culturales. En 1993 debutó en el cine con Jardines colgantes, de Pablo Llorca. Posteriormente, Leonor se trasladó a Londres para estudiar en el Actor's Center aprovechándose de su segunda lengua materna, el inglés. Tras intervenir en series televisivas como Hermanos de leche, Farmacia de guardia o Querido maestro, Leonor se afianzó en el cine en la segunda mitad de los años 90, especialmente tras ser candidata al Goya a mejor actriz protagonista por La hora de los valientes (1998), de Antonio Mercero, un premio que finalmente ganó Penélope Cruz. Luego protagonizó junto a Cayetana Guillén Cuervo la serie Raquel busca su sitio y el filme Son de mar (2001), de Bigas Luna. En 2002 estrenó la comedia A mi madre le gustan las mujeres, de Daniela Fejerman e Inés París, con cuyo papel de Elvira, una neurótica y desequilibrada mujer a la que su madre (Rosa María Sardà) le anuncia que se va a casar con una mujer, repitió nominación al Goya como protagonista. Tampoco se lo llevó en esta ocasión (fue para Mercedes Sampietro), pero sí consiguió el Fotogramas de Plata. Ese mismo año llegaría Pedro Almodóvarcon Hable con ella, película que le dio un gran prestigio y en la que interpretaba a una bailarina en estado de coma, un papel con apenas diálogos. En 2003 intervino en dos filmes como actriz de reparto, Mi vida sin mí, de Isabel Coixet y En la ciudad, de Cesc Gay, además de la comedia francesa Mauvais esprit, de Patrick Alessandrin. Después ha protagonizado Inconscientes (2004), de Joaquín Oristreill, Crónicas (2004), un coproducción entre México y Ecuador dirigida por Sebastián Cordero, Malas temporadas (2005), de Manuel Martínez Cuenca y Tirante el Blanco (2006), de Vicente Aranda. Como secundaria ha participado en Salvador Puig Antich (2006), de Manuel Huerga, una película muy dura sobre el último ajusticiado a garrote vil durante la dictadura franquista y Teresa, el cuerpo de Cristo (2007), de Ray Loriga. Las películas que más recientemente se han estrenado, son: Belle du Seigneur (2007), de Glenio Bonder, Los Crímenes de Oxford (2007), de Álex de la Iglesia y Lezione 21 (2007), de Alessandro Baricco. En ninguna de ellas Leonor es la protagonista y es que recientemente ha declarado que le «ofrecen mejores papeles secundarios que protagonistas». Paralelamente a su carrera cinematográfica, Leonor Watling ha triunfado como cantante y letrista del grupo Marlango, con el que ha editado tres discos: Marlango (2004), Automatic imperfection (2005) y The electrical morning (2007). Actualmente es pareja del compositor y cantante Jorge Drexler, del que espera un hijo.