Elizabeth Thea Pantaleoni sa narodila 25.Februára 1966 v New Yorku v rodine výživovej poradkyne Emily Pattersonovej a právnika Anthonyho Pantaleoniho. Thea má brata menom Thomas. Leonieho matka je rodák z Texasu anglosaského pôvodu a jej otec má zmiešané talianske a poľské korene. Thea je pra-neter herca Hank Patterson, známy hlavne pre úlohy vo westernoch, a jej babička z otcovej strany je verejná osobnosť a herečka Helenka Pantaleoni, dcéra slávneho violončelistu Josepha Adamovského a klaviristky Antoniny Šumovskej, ktorí boli okrem iného priateľmi a príbuznými klaviristu a politika Ignacy Paderewski. Leonidov otcovský pradedo bol bratom slávneho talianskeho politika a ekonóma Maffea Pantaleoniho. V roku 1984 Leonie vyštudovala Putney High School vo Vermonte. Začala študovať antropológiu a psychológiu na Sarah Lawrence College, ale štúdium prerušila, aby mohla cestovať. Thea žila v Tokiu v Taliansku a Saint Croix. Po návrate do Spojených štátov v roku 1988 bola Leonie schválená za úlohu pri opätovnom spustení série "Charlieho anjeli". Zábery neboli určené na to, aby sa dostali do vzduchu kvôli štrajku v Hollywoode, ale Thea sa rozhodla zvoliť si svoju profesiu a usadila sa v Los Angeles. Leonie sa stala skutočnou hviezdou v roku 1995 po uvedení filmu "Ničomníci" v hlavnej úlohe Will Smith a Martin Lawrence. Od roku 2001 je Leonie veľvyslankyňou dobrej vôle UNICEF. Jej stará mama z otcovej strany bola 25 rokov prezidentkou americkej nadácie UNICEF. Jej prvým manželom bol televízny producent Neil Joseph tardio Jr. svadba sa konala 8.Júna 1991 v New Jersey. Pár sa rozviedol v roku 1995. Druhým manželom Leonie bol po deviatich týždňoch randenia herec David Duchovny. Ich prvé dieťa, dcéra Madeleine West, sa narodilo 24.apríla 1999 v južnej Kalifornii. 15. júna 2002 sa v Los Angeles narodil ich syn Kid Miller. Na počesť 10.výročia si s duchovným dali na prstenník tetovanie. V lete 2014 manželia oficiálne požiadali o rozvod