Lydia Leonard s-a născut la 05.12.1981, la Paris, Franța. A urmat Școala Bedales din Steep, Hampshire, înainte de a se forma la Școala de Teatru Bristol Old Vic din Bristol, Anglia. În 2005, Leonard a apărut pe scenă în rolul Polyxenei în piesa Hecuba, produsă de Royal Shakespeare Company. Producția a fost jucată în West End-ul londonez și apoi la BAM din New York. Tot în 2005, a apărut în rolul Carolina Cushing în producțiile Frost/Nixon de la Donmar Theatre și West End. În mai 2009, a jucat rolul Hazel Conway în producția Teatrului Național, Time and the Conways. În 2010, Leonard a jucat rolul Jackie Onassis în piesa Onassis la Teatrul Novello din Londra. Apoi, ea a primit rolul Anna Boleyn în piesele Wolf Hall și Bring Up the Bodies la Teatrul Aldwych din Londra, din mai până în octombrie 2014. Producția RSC a fost transferată pe Broadway sub titlul Wolf Hall: Parts One and Two la Teatrul Winter Garden, din martie până în iulie 2015. Leonard a reluat rolul, ceea ce i-a adus o nominalizare la Premiul Tony din 2015 pentru cea mai bună actriță într-o piesă de teatru. A jucat în adaptarea scenică a romanului Bring Up the Bodies și în rolul Jane Rochford în adaptarea TV a celui de-al treilea roman din trilogia lui Mantel, Wolf Hall: The Mirror and the Light (2024). La televiziune, a interpretat roluri în sitcomul Quacks (2017), în The Crown (2022–2023, rolul Cherie Blair). În martie 2023, a jucat în piesa Women, Beware the Devil la Teatrul Almeida din Londra. La televiziune, Leonard a avut un rol constant în serialul polițist Jericho, a apărut în True True Lie (2006) și The Long Walk to Finchley (2008), alături de un cameo în Rome (2006, The Stolen Eagle) și ca asistent medical în serialul Casualty. În 2008, a jucat rolul principal feminin în Cele 39 de trepte, iar în 2010, rolul Cynthia din lungmetrajul Arhipelagul. În 2012, Leonard a jucat în două episoade ale serialului dramatic Whitechapel, în rolul psihiatrei Morgan Lamb, pentru care a fost nominalizată la premiile pentru cea mai remarcabilă actriță la premiile de televiziune Monte Carlo. În 2013, a jucat un rol principal în filmul de acțiune-aventură Legendary: Tomb of the Dragon. În același an, a fost Alex Lang în filmul DreamWorks The Fifth Estate. În 2015, Leonard a jucat rolul Virginia Woolf în Life in Squares. Între 2019 și 2022, a apărut în rolul Mariana Lawton din filmul Gentleman Jack. În 2022, ea a jucat rolul Rebecca Fox în Ten Percent, versiunea în limba engleză a serialului TV original francez Call Me Agent.