1974'te Los Angeles, Kaliforniya'da dünyaya geldi. Almanya doğumlu annesi Irmelin sekreterdi, İtalyan kökenli babası George DiCaprio ise karikatür sanatçısıydı. Anne Irmelin, Floransa'daki Uffizi müzesinde DaVinci'nin eserlerini incelerken, henüz doğmamış olan Leonardo'nun tekmelerine maruz kalınca, oğluna Leonardo ismini koymaya karar vermiştir. Wilhelm ise büyükbabasının adıydı. Ancak Leonardo bir yaşındayken annesi ve babası ayrıldılar. DiCaprio annesiyle büyüdü, hatta çocukluğunun bir bölümünü büyükannesi ve büyükbabasıyla birlikte Almanya'da yaşadı. Üvey abisi Adam Farrar da aktördür.

Çocukluk yıllarında birçok reklam filminde oynadı. Corinne A. Seeds University Elementary School, Center for Enriched Studies ve John Marshall High School'u bitirdi. İlk büyük çıkışını 1991'de Growing Pains adlı TV dizisiyle yaptı. Ardından This Boy's Life filminde Robert De Niro ile başrolü paylaştı. Bu rol için 400 tane yaşıtı arasından bizzat De Niro tarafından seçildi. 1993'te What's Eating Gilbert Grape filminde Johnny Depp'in özürlü kardeşini canlandırdı. 1995'te ise Günlük (The Basketball Diaries) filmiyle ne kadar yetenekli olduğunu tekrar kanıtladı. 

1996'daki Baz Luhrmann filmi Romeo ve Juliet'te Romeo'yu canlandırdı, performansı sayesinde Berlin Film Festivali'nde Gümüş Ayı kazandı. 1997'de Titanic filmiyle yıldızlığa adım attı ve en çok tanınan aktörler arasına girdi. 

2005'te ise Göklerin Hakimi filmiyle En İyi Aktör (Drama) dalında Altın Küre aldı. 2013 yapımı Para Avcısı filmiyle bir kez daha Altın Küre aldı. 2015'te rol aldığı Diriliş (The Revenant) filmiyle 5. oyunculuk adaylığında ilk kez Oscar ödülünü kucakladı. Ayrıca Altın Küre ve BAFTA gibi birçok başka ödülü de kazandı.

Özel hayatı magazin basını tarafından çokça yazılıp çizilen DiCaprio, Gisele Bündchen ve Bar Refaeli başta olmak üzere birçok mankenle ilişkiler yaşadı.