L. S. B. Leakey szülei brit misszionáriusok voltak, akik 1901-ben telepedtek le a kenyai Kabete-ben, Nairobi közelében. Leakey 1903. augusztus 7-én született Kabete-ben, ahol életre szóló barátságot kötött a kikuyu törzs fiúival, akikkel együtt nőtt fel. Valószínűleg ő az egyetlen fehér ember, akit fiatalkorából férfivá avattak egy kikuyu szertartás keretében.
Az első világháború után Leakey rövid ideig az angliai Dorsetben lévő Weymouth College-ban járt iskolába, majd 1922-ben a Cambridge-i Egyetem St. John’s College-ába lépett be. 1923-ban megszervezte a British Museum expedícióját, amely dinoszauruszok után kutatott Dél-Tanganyikában.
1926-ban, miután Cambridge-ben antropológiából szerzett diplomát, Leakey négy kelet-afrikai régészeti expedíciót szervezett és vezetett. A harmadik expedíció során, 1931-ben, az (akkoriban) ismert legkorábbi kőszerszámok igen fontos felfedezései után, az Olduvaiban, Leakey a kenyai Kanamban és Kanjerában emberi maradványok kövületeit fedezte fel. Az ezekkel a kövületekkel kapcsolatos állításait, amelyek között szerepelt az is, hogy a Homo sapiens a középső pleisztocén végén élt Kelet-Afrikában, számos kollégája vitatta, és csak 1969-ben fogadták el hivatalosan is.
1937-ben Leakey ideiglenesen abbahagyta az őstörténet tanulmányozását, hogy három évig a kikuyu törzsről szóló monográfián dolgozzon. A második világháború alatt (1939-1945) a nairobi polgári hírszerzésért felelős tisztként szolgált.
Leakey mindig is határozottan támogatta Charles Darwin elméletét, miszerint mind az ember, mind az emberszabású majmok az afrikai kontinensről származnak. Ő és csapatai 40 éven át türelmesen ásatásokat végeztek a tanzániai Serengeti-síkság keleti részén, az Olduvai-szurdokban található őskori lelőhelyen. 1959-ben Olduvaiban egy fosszilis hominida koponyát találtak, amelyet Zinjanthropusnak nevezett el. 1960-ban még jelentősebb fosszilis töredékeket fedeztek fel. Ezeket és egy 1962-ben Olduvaiban talált koponyát egy új emberfaj, a Homo habilis típusává tették. Leakey 1962-ben felfedezte a Homo erectus típus koponyáját is, amelyet korábban csak Kínában és Jáván ismertek. A Leakey által feltárt további lelőhelyek közé tartoznak a Rusinga-szigeten és Songhorban található alsó-miocén kori lelőhelyek, amelyekből 20 millió évre visszanyúló protomán maradványokat találtak, valamint a Fort Ternan-i lelőhely, ahol a kenyai pithecus wickeri-t fedezték fel. Ez a hominida körülbelül 12 millió évvel ezelőtt élt.
1964-ben Leakey egy csapatot szervezett az Egyesült Államokban, hogy ásatásokat végezzenek a dél-kaliforniai Calico hegység közelében. Ő és csapata bizonyítékot találtak arra, hogy az ember több mint 50 000 évvel ezelőtt élt Amerikában.
Leakey publikációi közé tartoznak: Az íj és nyíl új osztályozása Afrikában; A kőkori kultúrák Kenyában; Ádám ősei; A kőkori fajok Kenyában; Kőkori Afrika; Kenyai ellentétek és problémák; Fehér Afrika; Hozzájárulás a kenyai tumbiai kultúra tanulmányozásához (W. E. Owen); Tentative Study of the Pleistocene Sequence and Stone Age Cultures of N. E. Angola; Mau Mau and Kikuyu; Defeating Mau Mau; The Miocene Hominoidea of East Africa (with Le Gros Clark); The Pleistocene Fossil Suidae of East Africa; First Lessons in Kikuyu; Olduvai Gorge, Vol. 1, 1951-1961; Animals of East Africa; és Unveiling Man’s Origins (Vanne Goodall-lal).
1972. október 1-jén Leakey Londonban meghalt.