Leslie Caron suit les cours du Conservatoire de danse de Paris.
Leslie Caron est choisie par Gene Kelly pour être sa partenaire dans Un Américain à Paris (1951) de Vincente Minnelli. Son excellente prestation en tant que danseuse la rend célèbre. Sous contrat aux Etats-Unis auprès de la Metro-Goldwyn-Mayer, elle est l'héroïne de nombreuses comédies musicales : Lili (1953) et La pantoufle de verre (1955) de Charles Walters ; Papa longues jambes (1955) de Jean Negulesco, avec Fred Astaire (tourné exceptionnellement pour la Fox Film Corporation) ; Gigi (1958) de Vincente Minnelli. Durant les années 1950, Leslie Caron incarne de gentilles jeunes filles amoureuses, toujours à la limite de la mièvrerie. Au début des années 1960, les comédies musicales commencent à passer de mode, et elle réoriente sa carrière avec un rôle dramatique de jeune femme enceinte et sans mari qui cherche à se faire avorter dans la Chambre indiscrète (1962) de Bryan Forbes. On la retrouve ensuite dans divers films, comme Father goose de Ralph Nelson, Paris brûle-t-il ? de René Clément, Valentino de Ken Russel, L'homme qui aimait les femmes de François Truffaut, et Le contrat de Krzysztof Zanussi. Elle revient au cinéma en 1992 dans Fatale de Louis Malle, en 1994 dans Funny bones de Peter Chelsom, et plus récemment dans Le chocolat (Lasse Hallström, 2000).
En 1948, Leslie Caron intègre le Ballet des Champs-Elysées sous la direction de Roland Petit.
Elle joue à de nombreuses reprises pour le théâtre, en France (Orvet, 1954, de Jean Renoir, Paris) comme aux Etats-Unis (On m'appelle Emilie, 1985, New York).
En 1989, elle préside le Festival du film de Berlin.
Elle est l'auteur de Vengeance et d'un recueil de nouvelles, Le Croquemitaine.
Courts métrages 1952 | Million Dollar Nickel (The) | Anonyme |
Longs métrages| 1950 | An American in Paris Un Américain à Paris | Vincente Minnelli |
| 1951 | Glory Alley La Ruelle du péché | Raoul Walsh |
| 1951 | Man with a Cloak (The) [L'Homme au manteau noir] | Fletcher Markle |
| 1952 | Lili | Charles Walters |
| 1952 | Story of Three Loves : Mademoiselle (The) Histoire de trois amours : Mademoiselle | Vincente Minnelli |
| 1954 | Daddy Long Legs Papa longues jambes | Jean Negulesco |
| 1954 | Glass Slipper (The) La Pantoufle de verre | Charles Walters |
| 1955 | Gaby | Curtis Bernhardt |
| 1957 | Gigi | Vincente Minnelli |
| 1958 | Doctor's Dilemma (The) | Anthony Asquith |
| 1959 | Austerlitz | Abel Gance |
| 1959 | Man who Understood Women (The) L'Homme qui comprenait les femmes | Nunnally Johnson |
| 1959 | Subterraneans (The) [Les Rats de cave] | Ranald MacDougall |
| 1960 | Fanny | Joshua Logan |
| 1961 | Guns of Darkness Sept heures avant la frontière | Anthony Asquith |
| 1962 | L-Shaped Room (The) La Chambre indiscrète | Bryan Forbes |
| 1962 | Quatre vérités (Les) | Alessandro Blasetti, Hervé Bromberger, René Clair, [etc.] |
| 1962 | Quatre vérités : Les Deux pigeons (Les) | René Clair |
| 1964 | A Very Special Favor Le Coup de l'oreiller | Michael Gordon |
| 1964 | Father Goose Grand Méchant Loup appelle | Ralph Nelson |
| 1965 | Paris brûle-t-il ? | René Clément |
| 1965 | Promise Her Anything | Arthur Hiller |
| 1967 | Padre di famiglia (Il) Jeux d'adultes | Nanni Loy |
| 1970 | Madron | Jerry Hopper |
| 1971 | Chandler | Paul Magwood |
| 1975 | Sérail | Eduardo de Gregorio |
| 1976 | Homme qui aimait les femmes (L') | François Truffaut |
| 1977 | Valentino | Ken Russell |
| 1978 | Goldengirl | Joseph Sargent |
| 1979 | Tous vedettes | Michel Lang |
| 1980 | Kontrakt Le Contrat | Krzysztof Zanussi |
| 1981 | Imperativ L'Impératif | Krzysztof Zanussi |
| 1983 | Diagonale du fou (La) | Richard Dembo |
| 1988 | Courage Mountain | Christopher Leitch |
| 1988 | Guerriers et captives | Edgardo Cozarinsky |
| 1990 | Guns | Andy Sidaris |
| 1992 | Fatale | Louis Malle |
| 1993 | Jean Renoir | David Thompson |
| 1994 | Funny Bones Funny Bones, les drôles de Blackpool | Peter Chelsom |
| 1995 | Let It Be Me | Eleanor Bergstein |
| 1998 | Reef (The) | Robert Allan Ackerman |
| 2000 | Chocolat | Lasse Hallström |
| 2002 | Divorce (Le) | James Ivory |