Он появился на свет 19 мая 1930 года в Ленинграде в семье, никак не связанной с искусством. Отец будущего актёра был инженером, мать работала врачом в больнице. Несмотря на серьёзные профессии родителей, оба сына Харитоновых с детства тянулись к сцене и отличались артистическим даром. Лёня и его младший брат Витя выступали на школьных концертах, пели, танцевали, читали стихи и оба впоследствии стали профессиональными актёрами.
Детство Леонида Харитонова оборвала война. Он был ещё мальчишкой, но рвался на фронт, куда его конечно не взяли. Вместе с семьёй Лёня остался в блокадном Ленинграде, видел разрушения, голод, холод, смерть... Сам он был так истощён, что готов был есть даже мыло и штукатурку. В те страшные годы он заработал себе язву, от которой страдал всю оставшуюся жизнь. Они с братом чудом спаслись из осаждённого города — выбрались по знаменитой Дороге жизни.
Настали мирные времена. Леонид Харитонов окончил школу и подал документы на юридический факультет Ленинградского университета. После пережитых ужасов войны он думал, что лучше выбрать серьёзную профессию, а не лицедействовать на сцене. Однако творческое начало рвалось наружу. Харитонов записался в студенческий драмкружок и вскоре начал пропадать там днями и ночами. Окончив первый курс, он отчислился с юрфака и рванул в столицу — покорять Школу-студию имени Немировича-Данченко при МХАТе.
Улыбчивого голубоглазого парня приняли с первой попытки, он попал на курс знаменитого театрального педагога Сергея Блинникова и с головой окунулся в актёрскую жизнь. На выпускном курсе режиссёр Владимир Басов утвердил Харитонова на главную роль в военном фильме «Школа мужества». Студентов тогда на съёмки почти не отпускали, грозили отчислением, но режиссёр не видел в образе юного Бориса Горикова никого другого. В результате в Школу-студию пришло официальное письмо из ЦК ВЛКСМ с просьбой отпустить молодого актёра на съёмки. А позже Басов получил премию за лучший воспитательный фильм на международном кинофестивале в Карловых Варах.
Дебют Леонида Харитонова в кино оказался очень успешным, но он даже представить не мог, какая популярность обрушится на него совсем скоро. Окончив институт, актёр успешно прошёл пробы на роль солдата Ивана Бровкина в одноимённом фильме. Слегка непутёвый, но очень обаятельный парень из народа покорил сердца миллионов зрителей. Харитонов в одночасье завоевал статус героя целого поколения, поклонники заваливали его письмами, а от режиссёра требовали снять продолжение фильма. В перерывах между первой и второй частью актёр исполнил главные роли в картинах «Сын», «В добрый час!», «Улица полна неожиданностей», а спустя три года на экраны вышло долгожданное продолжение «Иван Бровкин на целине», где вернувшийся из армии солдат стал бригадиром трактористов в родном колхозе.
На съёмках у Леонида Харитонова открылась язва. Актёр страдал от боли, пока кто-то из коллег не посоветовал ему народный метод лечения — чистым медицинским спиртом внутрь. Харитонов начал выпивать по стакану залпом и сам не заметил, как уже не мог начинать день без алкоголя. Усугубляла пагубную привычку и свалившаяся на него слава — актёра узнавали на улицах, каждый норовил усадить его за стол и вместе распить по стопочке. Отказать Харитонов не мог, боялся обидеть. В результате каждодневных возлияний актёр начал стремительно терять так полюбившийся всем образ обаятельного паренька, осунулся, набрал вес.
В 37 лет он играл уже возрастного царя Федула в сказке «Огонь, вода и... медные трубы». В середине 70-х актёр и вовсе пропал с экранов на пять лет, пока Леонид Гайдай не пригласил его на роль помещика Добчинского в комедии «Инкогнито из Петербурга». От былой славы не осталось и следа, а зрители не могли даже узнать любимого актёра в кадре. Харитонов был уже не в том положении, чтобы отказываться от эпизодов. Он сыграл самого себя в мелодраме «Москва слезам не верит», Луку Саввича в «Нескольких днях из жизни И. И. Обломова», отца Василия в «Суете сует», танкиста Дедюхина в «Вечном зове», Лонгинова в «России молодой».
Новую главную роль он получил только спустя двадцать с лишним лет после премьеры второго «Ивана Бровкина» — в сказке «Там, на неведомых дорожках...» актёр предстал в образе царя Макара. Следом он перевоплотился в директора фабрики музыкальных инструментов в новогодней комедии «Чародеи», а свою последнюю роль в кино исполнил в приключенческом фильме «Посторонним вход разрешён», где сыграл соседа профессора.
Личная жизнь Леонида Харитонова оказалась не менее яркой, чем его творческая биография. Впервые он женился ещё на третьем курсе Школы-студии МХАТ. Его избранницей стала однокурсница Светлана Сорокина — многие недоумевали, что нашла статная красавице в этом курносом взъерошенном недотёпе, который едва доставал ей до плеча. Однако это была любовь. Светлана Харитонова прославилась в кино уже под фамилией мужа, вместе они снимались в «Солдате Иване Бровкине», а самой заметной работой актрисы в кино стала роль крановщицы Клавы из комедии «Девушка без адреса». Семейная жизнь молодых супругов не заладилась. Леонид Харитонов, хоть и не обладал богатырским телосложением, притягивал женщин, как магнит. А когда на него обрушилась популярность, то актёр и вовсе перестал отказывать себе в мимолётных интрижках с поклонницами.
На съёмках фильма «Улица полна неожиданностей» его коллегой по площадке стала молодая актриса Джемма Осмоловская. Актёр начал ухаживать за красавицей, а вскоре ради неё оставил первую жену. Леонид и Джемма сыграли свадьбу, в браке на свет появился единственный сын актёра Алексей. Поначалу супруги были счастливы вместе, но со временем Харитонов вернулся к прежнему образу жизни. Спустя семь лет брак распался.
Построить долгосрочные отношения Леонид Харитонов сумел уже в зрелом возрасте. Актёр преподавал в Школе-студии МХАТ, где одной из его студенток была начинающая актриса Евгения Гибова, которая была младше наставника на 12 лет. Несмотря на разницу положений, между ними вспыхнуло чувство, и влюблённые сыграли свадьбу. Правда, вскоре выяснилось, что Евгения была не той милой девушкой, которой казалась с первого взгляда. Поговаривали, что она обладала довольно авторитарным характером и полностью подчинила себе знаменитого мужа. Харитонов настолько забился под каблук, что однажды даже выгнал брата с семьёй ночевать в гостиницу, потому что жена не захотела приютить родственников у себя дома. Кроме того, Евгения не давала актёру общаться с его сыном Алексеем — тот не пошёл по стопам родителей, избрал для себя профессию программиста. Своих детей супруга не хотела, называла их «шумными врединами» и на дух не переносила.
Несмотря на популярность в кино, для Леонида Харитонова на первом месте всегда был театр. Сразу после выпуска из института он исполнил свою давнюю мечту — пополнил труппу МХАТа. Театральный путь актёра оказался тернистым, в середине карьеры он на несколько лет уходил в «Ленком» и Театр имени Пушкина, но затем вернулся в родной МХАТ, чтобы остаться там до конца дней. Правда, планам Леонида Харитонова не суждено было сбыться. В конце 80-х в театре начал назревать раскол, ролей почти не было, а спектакль «Палата №6», который Харитонов поставил в качестве режиссёра, сняли с репертуара. Вскоре художественный руководитель МХАТа Олег Ефремов в довольно резкой форме предложил Харитонову покинуть труппу, а за кулисами распустили слухи о психическом заболевании актёра.
20 июня 1987 года в день разделения МХАТа на две части у 57-летнего Леонида Харитонова случился третий инсульт. Спасти актёра уже не удалось. Похоронили его на Ваганьковском кладбище, проститься пришли Олег Ефремов и Татьяна Доронина, а самым трогательным моментом оказался венок от Татьяны Пельтцер с надписью «От мамы» — в память о совместной работе над фильмом «Солдат Иван Бровкин», где они играли мать и сына. На могиле Леонида Харитонова установили расколотую надвое плиту — трещина в виде мхатовской чайки символизировала раздробленный театр и разбитое актёрское сердце.