Nasce a Madrid il 28 luglio 1975 da padre spagnolo originario di Cadice (in Andalusia) e da madre inglese. Cresciuta in una famiglia bilingue, Leonor inizia la propria carriera di attrice a teatro, mentre debutta al cinema nel 1993 con Jardines colgantes, diretto da Pablo Llorca. In seguito partecipa a diverse serie televisive, fra le quali Hermanos de leche, Farmacia de guardia, Querido maestro, ma soprattutto Raquel busca su sitio.
Nel 1998 ottiene la sua prima nomination ai Premi Goya come migliore attrice per la sua interpretazione in La hora de los valientes. Il 2002 è l'anno dell'affermazione, grazie alla commedia A mia madre piacciono le donne, che le vale una nuova nomination ai Goya, ma soprattutto al ruolo della ragazza in coma in Parla con lei di Pedro Almodóvar, che le dà una visibilità internazionale.
Dal 2004 ha intrapreso anche una carriera musicale, come cantante del gruppo Marlango.
Cinema
Jardines colgantes, regia di Pablo Llorca (1993)
Un solo de cello, regia di Daniel Cebrián - cortometraggio (1997)
Sueños de sal, regia di Gloria Núñez - cortometraggio (1997)
Grandes ocasiones, regia di Felipe Vega (1998)
El nacimiento de un imperio, regia di José Maria Borrell - cortometraggio (1998)
La primera noche de mi vida, regia di Miguel Albaladejo (1998)
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