Leonardo Wilhelm DiCaprio Los Angelesben látta meg a napvilágot, olasz és német származású apja képregényrajzoló volt, német származású anyja titkárnőként dolgozott. Szülei egyéves korában elváltak, ezután többnyire anyjával élt. Gyerekkorában érdekelte a biológia, de vonzotta a színészet is, szerepelt reklámfilmekben, majd televíziós sorozatokban. 1993-ban több száz jelentkező közül választották ki az Ez a fiúk sorsa című dráma főszerepére, majd Lasse Hallström osztott rá jelentős szerepet a Gilbert Grape című filmjében. Az értelmi fogyatékos fiú hiteles ábrázolásáért először nominálták Golden Globe-díjra, és 19 évesen az egyik legfiatalabb Oscar-díjra jelölt lett a legjobb férfi mellékszereplő kategóriában. 1995-ben az Egy kosaras naplója című életrajzi drámában meggyőző erővel alakított egy kábítószeres fiatal költőt, egy évvel később Claire Danes partnere lett a Rómeó és Júlia című filmben, és a Berlini Nemzetközi Filmfesztiválon elnyerte a legjobb férfialakítás díját.
A világsikert 1997-ben a James Cameron rendezte Titanic hozta meg számára, amelyben Kate Winslettel alakítottak egy tragikus sorsú szerelmespárt. A Titanic rekordszámú, tizenegy Oscar-díjat kapott, azonban DiCapriót még csak nem is jelölték, ezért a csalódott színész meg sem jelent a gálán. 1998-ban A vasálarcos című kalandfilmben, majd 2000-ben a kritika által fanyalogva fogadott A part című filmdrámában játszott. Az egyre tudatosabb környezetvédő DiCaprio a Föld napján milliók figyelmét hívta fel bolygónk megőrzésének fontosságára – ironikus módon akkor, amikor Bangkokban azért tüntettek ellene, mert a film forgatása jóvátehetetlen kárt okozott a thaiföldi Maya-öböl érintetlen természetében.
DiCaprio, akinek gázsija ekkor már meghaladta a húszmillió dollárt, bátran válogathatott a szerepek között. 2002-ben Martin Scorsese New York bandái című filmjére mondott igent, majd Steven Spielberg Kapj el, ha tudsz című bűnügyi komédiájában játszott egy, az FBI elől menekülő szélhámost.
2004-ben ismét Scorsese-vel dolgozott a milliárdos üzletember, feltaláló Howard Hughes életéről szóló Aviátor című filmdrámában, ekkor ismét Oscar-díjra jelölték, és megkapta a Golden Globe-díjat. 2006-ban újra Scorsese instruálta A tégla című filmdrámában, olyan sztárokkal, mint Jack Nicholson és Matt Damon, és ugyanabban az évben forgatta a Véres gyémánt című akcióthrillert, amelyért harmadszor is Oscarra jelölték. Jóllehet az aranyszobrocska 2007-ben sem neki jutott, mégis ott állt a színpadon, amikor A kellemetlen igazság című, klímaváltozással kapcsolatos dokumentumfilm Oscar-díjat nyert.
2007-ben ő is készített egy dokumentumfilmet a klímaváltozásról Az utolsó óra címmel, Scorsese pedig büszkén nyilatkozta kedvenc színészéről: „Felnőtt a kölyök, és olyan ember lett belőle, akit örömmel tartok számon munkatársaim között.” 2008-ban ismét Kate Winslet volt a partnere A szabadság útja című Sam Mendes-filmben. DiCaprio 2010-ben negyedszer dolgozott Scorsese-vel a sötét, szomorú és félelmetes thrillerben, a Viharszigetben. 2011-ben J. Edgar Hoover bőrébe bújt a Clint Eastwood rendezte életrajzi filmben, 2012-ben Quentin Tarantino a spagettiwestern műfaja előtt tisztelgő Django elszabadul című alkotásában vállalt főszerepet. A következő évben F. Scott Fitzgerald regényének adaptációjában, A nagy Gatsbyben, majd A Wall Street farkasában játszott. Utóbbi alakításáról a kritika felsőfokban áradozott, de „csak” a Golden Globe-díjat kapta meg.
A várva várt amerikai akadémiai díjat végül a 2016-ban bemutatott A visszatérő című drámában nyújtott színészi játékáért vehette át. Az Alejandro González Iñárritu rendezésében – megtörtént események alapján – készült moziban megrázóan alakította az egykori Hugh Glass prémvadász, felfedező túlélésért folytatott embertelen küzdelmét. Ekkor megkapta a harmadik Golden Globe-díját is, és BAFTA-díjban is részesült. Szintén 2016-ban a davosi Világgazdasági Fórum (WEF) Kristály-díjával tüntették ki a más nemzetek kultúrájának ismertté tételében végzett kiemelkedő művészeti munkájáért.
2019-ben újra Tarantinóval dolgozott együtt a Volt egyszer egy... Hollywood című, az 1969-es Manson-gyilkosságokat felidéző alkotásban, alakítását számos díjra jelölték, köztük ismét Oscar- és Golden Globe-ra is. 2021-ben főszerepet vállalt a Ne nézz fel! című Netflix-produkcióban. Legutóbb, 2023-ban a szintén Scorsese rendezte Megfojtott virágokban játszott főszerepet. A David Grann azonos című regénye alapján készült vadnyugati krimi az oklahomai oszázs indiántörzs tagjai ellen az 1920-as években elkövetett gyilkosságokról, majd azok nyomozásáról és az elkövetők közötti leszámolásokról szól.
DiCaprio Hollywood egyik örök agglegénye, bár a bulvársajtó gyakran hangos fiatal modellekkel folytatott kapcsolataitól. Aktívan foglalkozik a környezet- és klímavédelem problémáival, de emellett jótékonysági tevékenységéről is ismert, alapítványán keresztül jelentős összegekkel támogat humanitárius és természetvédelmi ügyeket. 2014-ben az ENSZ békekövetévé nevezték ki. 2016-ban felkerült a Time magazinnak a világ száz legbefolyásosabb emberéről készült listájára. 2022-ben minden idők 50 legjobb színésze közé választották az Empire filmmagazin olvasói, és egy újonnan felfedezett fafajt (Uvariopsis dicaprio) is elneveztek róla a kameruni Ebo erdőben, mert fontos szerepet játszott a természetvédelmi terület fairtások elleni kampányában.
