Leslie Caron urodziła się 1 lipca 1931 roku w Boulogne-Billancourt we Francji jako córka Claude Caron, amerykańskiej tancerki związanej z Broadwayem, oraz Jean-Claude’a Carona, zamożnego francuskiego farmaceuty. Dzięki stabilnej sytuacji finansowej rodziny mogła kształcić się w najlepszych szkołach i studiować balet w Conservatoire de Paris. Następnie dołączyła do zespołu Rolanda Petita, gdzie szybko zwróciła na siebie uwagę krytyków i publiczności.
Przełom w jej karierze nastąpił, gdy Gene Kelly zobaczył ją w balecie „La Rencontre” w Paryżu. Zachwycony jej talentem, zaprosił ją do Hollywood i obsadził w „An American in Paris” (1951), mimo że wówczas nie mówiła biegle po angielsku. Film przyniósł jej międzynarodową sławę. Wystąpiła później w „Lili” (1953), za który otrzymała nominację do Oscara, oraz w „Gigi” (1958). Drugą nominację do Oscara zdobyła za dramat „The L-Shaped Room” (1962), rola ta przyniosła jej również nagrody BAFTA i Złoty Glob.
Jest jedyną partnerką taneczną, która zagrała główne role u boku obu największych tancerzy swojej epoki: Gene’a Kelly’ego („An American in Paris”) oraz Freda Astaire’a („Daddy Long Legs”, 1955). Astaire początkowo obawiał się 32-letniej różnicy wieku między nimi, jednak ich wspólne sekwencje taneczne uznano za jedne z najbardziej nowatorskich w jego późnej karierze.
W kolejnych dekadach udowodniła swój talent dramatyczny. W 2007 roku otrzymała Nagrodę Emmy za gościnny występ w serialu „Law & Order: Special Victims Unit”, potwierdzając swoją artystyczną dojrzałość.
W życiu prywatnym była trzykrotnie zamężna. Jej pierwszym mężem był George Hormel II, drugim – brytyjski reżyser Peter Hall, z którym ma dwoje dzieci: Christophera Halla (producenta) i Jennifer Caron Hall (aktorkę). Trzecim mężem był producent Michael Laughlin. Przez 15 lat prowadziła hotel i restaurację „Auberge de la Lucarne aux Chouettes” w Villeneuve-sur-Yonne w Burgundii. Była również bliską przyjaciółką Rudolfa Nuriejewa.
Leslie Caron pozostaje jedną z najważniejszych francuskich artystek o międzynarodowej renomie – tancerką i aktorką, która połączyła klasyczne wykształcenie baletowe z hollywoodzkim rozmachem i europejskim kinem artystycznym.