1929-cu il yanvarın 3-də Roma şəhərində anadan olan Sergionun atası Vinçenso Leone dövrün pioner kino işçilərindən biri, anası Edvic Valçarenqi isə səssiz filmlərdə çəkilən aktrisa idi. Məktəbdə oxuyarkən onun sinif yoldaşlarından biri gələcəkdə birlikdə bir neçə layihəyə imza atacağı əfsanəvi bəstəkar Ennio Morrikone idi. Atasının kinostudiyalarda işini yaxından izləyən Sergio artıq 18 yaşında olarkən universitetdə hüquq dərslərini atdı və kino sahəsinə gəlməyi qərara aldı.

1948-ci ildə o, Velosiped oğruları filmində rejissor Vittorio de Sikanın köməkçisi idi. 1950-ci illərdən etibarən o, ssenarilər də yazmağa başladı, "Quo Vadis" – 1951 və "Ben-Hur" – 1959 kimi amerikan filmlərində rejissor köməkçisi kimi çalışdı. 1959-cu ildə "The Last Days of Pompeii" (Pompeyin Son Günləri) filminin çəkilişləri zamanı xəstələnən rejissor Mario Bonnardın işini sona çatdırmaq Leoneyə həvalə edildi. 1961-ci ildə "The Colossus of Rhodes" (Rodos Heykəli) tarixi filmi ilə öz müstəqil rejissorluq debütünü etdi. 1960-cı illərdə tarixi filmlər bir qədər dəbdən düşdü və Leone amerikan "Western" janrından bəhrələnən italyan "Spaghetti Weatern" janrında filmlərə maraq göstərməyə başladı. 1964-cü ildə çəkdiyi "A Fistfull of Dollars" (Bir Ovuc Dollar) filmi yaponiyalı rejissor Akira Kurosavanın 1961-ci ildə ekranlaşdırdığı "Yojimbo (Yocimbo) filmi əsasında çəkilmişdi. Bu film amerikalı aktyor Klint İstvudu məşhur etdi. Buna qədər isə o, yalnız televiziya filmlərində kiçik rollar almışdı.

Bu və Leonenin növbəti iki filmi – "For a Few Dollars More" (Bir Qədər Dollar Daha Çox) – 1965 və "The Good, the Bad and the Ugly" (Yaxşı, Pis və Zalım) – 1966 filmləri sonradan "Man with No Name" (Adsız Adam) və ya "Dollar" trilogiyası adı ilə məşhurlaşdı. Sonucu film trilogiyanın ən uğurlu filmi oldu. Ennio Marikoninin məşhur musiqisi də filmə böyük şöhrət gətirdi. Bu 3 filmin uğurunu görən Hollivud film şirkəti "Paramount Pictures" 1967-ci ildə onu "Once Upon a Time in the West" (Bir Zamanlar Qərbdə) filminin rejissor kürsüsünə dəvət etdi. Sergio Leone bu filmdə bir çox əfsanəvi "Western" filmlərinə istinad etmişdir. O dövrə film Şimali Amerikada kassa yığımında böyük uğur qazanmasa da, Avropada böyük hitə çevrildi. Bir çox film həvəskarları, kritiklər bu filmi Leonenin ən yaxşı filmi hesab edirlər.

1970-ci illərdə əsasən prodüserlik fəaliyyəti ilə məşğul olan Leone 1978-ci ildə 28-ci Venesiya Beynəlxalq Film Festivalında münsiflər heyətinin üzvü idi. O, onilliyin əvvəllərində sonradan əfsanəyə çevriləcək Xaç atası – 1972 filminin rejissor kürsüsündən imtina etdi. Bunun səbəbi isə onun həmin dövrdə digər qanqster filmi üzərində çalışması idi. Leone bu filmi ərsəyə gətirmək üçün on ildən artıq vaxt sərf etdi. Bu 1984-cü ildə ekranlara çıxan və baş rollarda Robert De Niro və Ceyms Vudsun oynadığı Bir dəfə Amerikada filmi idi. Film keçmiş qanqster Harri Qreyin "The Hoods" əsəri əsa-sında çəkilmişdi. Filmin son hazır versiyası çox uzun idi. "Warner Bros" şirkəti filmi bazara çıxarmaq üçün onu montaj etməyi tapşırdı. Nəticədə iki saatdan bir qədər artıq davam edən film tənqidlə üzləşdi. Dünyanın digər hissələrində ekranlara çıxan orijinal-uzun versiya həm kassa yığımında uğur qazandı, həm də kritiklərin əksəriyyəti tərəfindən bəyənildi. Sonradan film DVD-də işıq üzü gördükdən sonra öz qiymətini aldı və bir çoxları tərəfindən şah əsər adlandırıldı.

Leone 1989-cu il aprelin 30-da ürək tutmasından vəfat etdi. Həyatının son illərində onun yaxın dostu Klint İstvudla arası soyumuşdu. "Once Upon a Time in America" filmini çəkəndə Leone bildirmişdi ki, Robert De Niro İstvuda nisbətən həqiqi aktyor idi. Hər halda Leonenin ölümündən bir müddət əvvəl onlar yenidən münasibət yaratmışdılar. 1992-ci ildə Klint İstvud "Unforgiven" filminə görə ən yaxşı rejissor kimi Oskar qazandı. O, bu Oskarı 2 şəxsə həsr etdi. Bunlardan biri Sergio Leone, digəri isə Don Siqel idi.