Jean-Pierre Léaud naît le {{date de naissance}} à Paris{{,}}. Il est le fils de la comédienne Jacqueline Pierreux et du scénariste Pierre Léaud{{,}}.
François Truffaut le rencontre au moment de l'audition des Quatre Cents Coups en septembre 1958. À ce moment-là, Léaud a déjà fait une apparition au cinéma dans La Tour, prends garde ! (1957) de Georges Lampin. Truffaut tombe sous le charme de Léaud et retrouve en lui le sentiment de révolte qu'il a éprouvé en tant qu'enfant. Léaud est élève en pension en classe de 4{{ème}} à Pontigny dans le département de l'Yonne. Il est réputé pour être un élève turbulent. Truffaut l'engage pour le film et modifie le personnage d'Antoine en l'adaptant à la personnalité de Léaud. En 1979, dans un entretien avec Maurice Terrail, Truffaut raconte : {{citation}} Le tournage commence le 10 novembre 1958 et s'achève le 5 janvier 1959. Le film triomphe lors de sa projection au festival de Cannes le 4 mai 1959 et Léaud devient à 14 ans une vedette.
Après le succès du film, Truffaut s'occupe de Léaud. Léaud ne voulait pas retourner en pension. Truffaut lui trouve une place à l'institut de la Muette, rue Cortambert à Paris mais Léaud est renvoyé de l'établissement après quelques semaines. Truffaut l'installe ensuite à Colombes chez un couple de retraités. Léaud fugue souvent. Finalement, Truffaut l'installe dans une chambre de bonne rue Quentin-Bauchart puis rue Perdonnet. Truffaut s'occupe alors de Léaud comme un père{{,}}.
En 1961, Truffaut donne une suite aux Quatre Cents Coups avec le court métrage Antoine et Colette. Léaud retrouve à cette occasion le personnage d'Antoine Doinel. Le tournage commence le 15 janvier 1962 et dure une semaine.
Léaud rencontre Jean-Luc Godard en 1963 et travaille d'abord avec lui comme assistant sur Une femme mariée (1964), Alphaville (1965) et Pierrot le fou (1965).
Après lui avoir donné deux petits rôles dans Alphaville et Pierrot le fou, Godard propose à Jean-Pierre Léaud le rôle principal de Masculin féminin (1965). Il interprète le rôle de Paul, un jeune militant engagé contre la guerre du Viêtnam. Son personnage ressemble au personnage d'Antoine Doinel. C'est un amoureux transi qui peine à trouver sa place dans la société. Juste après le tournage de Masculin féminin, Léaud tourne Le Père Noël a les yeux bleus (1965) de Jean Eustache à Narbonne.
Le cinéaste polonais Jerzy Skolimowski l'engage pour jouer le rôle principal dans Le Départ. Léaud y joue le rôle de Marc, un jeune garçon coiffeur amoureux de voitures de sport et amoureux d'une fille.
En 1967, il commence aussi une carrière au théâtre dans la troupe d'Antoine Bourseiller et joue au festival d'Avignon dans Silence, l'arbre remue encore de François Billetdoux et La Baye de Philippe Adrien. Cependant, il apprécie moins le théâtre que le cinéma. Dans l'entretien au magazine So Film (2012), il explique pourquoi il n'a pas fait plus de théâtre : {{citation}}.
François Truffaut reprend les aventures d'Antoine Doinel en 1968 avec Baisers volés. Le film est tourné en février et mars 1968. Après le tournage, l'actrice Delphine Seyrig fait part de son admiration pour le jeu de Léaud dans une lettre à François Truffaut : {{citation}}
En 1969, il tourne dans Porcherie sous la direction de Pier Paolo Pasolini. Leur collaboration ne se passe pas bien. Jean-Pierre Léaud ne comprend pas les instructions de Pasolini. De plus, il est absent lors de la postsynchronisation et Pasolini décide alors de prendre la voix d'un autre acteur. Léaud en garde un souvenir amer.
Après le succès de Baisers volés, il retrouve son personnage d'Antoine Doinel et encore sa partenaire de Baisers volés, Claude Jade, dans Domicile conjugal (1970). Le film raconte la vie conjugale d'Antoine et Christine Doinel. Le tournage a lieu entre le 21 janvier et le 18 mars 1970.
En 1970, il joue dans Out 1 : Noli me tangere, le film fleuve de Jacques Rivette, le rôle d'un personnage d'abord muet et qui retrouve la parole au cours du film.
Avec Les Deux Anglaises et le Continent (1971), François Truffaut donne pour la première fois à Jean-Pierre Léaud un vrai rôle de composition avec le personnage de Claude Roc. En lui proposant le rôle, Truffaut lui écrit : {{citation}}
En 1972, il interprète le rôle d'un réalisateur, représentant du cinéma de la Nouvelle Vague, dans Le Dernier Tango à Paris de Bernardo Bertolucci.
Léaud retrouve Truffaut dès 1972 avec La Nuit américaine. Truffaut lui confie le rôle d'Alphonse, un acteur romantique, capricieux et instable qui ressemble au vrai Jean-Pierre Léaud. Après la sortie du film en mai 1973, Godard envoie une lettre à Truffaut et souhaite faire parvenir une lettre à Léaud pour dénoncer le film. Truffaut ne transmet pas la lettre à Léaud et la renvoie à Godard avec une réponse incendiaire marquant leur séparation définitive.
En 1973, il présente à Cannes La Maman et la Putain de Jean Eustache. Le film reçoit le Grand prix du jury.
Jean-Pierre Léaud retrouve une dernière fois le personnage d'Antoine Doinel avec L'Amour en fuite (1979). Alors que généralement les tournages de la série Doinel s'étaient bien passés, Truffaut éprouve des difficultés à faire ce film et décide que ce sera le dernier de la série. Léaud raconte que la rupture avec ce personnage qui l'a suivi depuis l'adolescence a été très douloureuse, {{citation}}.
Dans Rue Fontaine (1984), Philippe Garrel lui donne le rôle de René, un personnage complètement désespéré.
Dans J'ai engagé un tueur (1991), Aki Kaurismäki lui donne le rôle d'un employé de bureau mis au chômage qui, n'ayant pas la force de se suicider décide d'engager un tueur. D'après le critique Gilles Anquetil, c'est l'un des plus beaux rôles de Léaud depuis La Maman et la Putain.
Après l'avoir fait jouer dans Rue Fontaine (1984), Philippe Garrel lui donne un nouveau rôle dans La Naissance de l'amour (1993). Léaud y retrouve un personnage brillant et angoissé tel qu'il a pu l'incarner à l'époque de la Nouvelle Vague.
Bertrand Bonello lui donne le rôle d'un réalisateur de films pornographiques désabusé dans Le Pornographe (2001). La même année, Serge Le Péron rend hommage à Jean-Pierre Léaud avec un documentaire intitulé Léaud l'unique dans lequel il a recueilli les témoignages de Jean-Luc Godard, André S. Labarthe, Olivier Assayas et Tsai Ming-liang.
En 2009, il revient au festival de Cannes, cinquante ans après la présentation des Quatre Cents Coups en 1959, pour le film Visages de Tsai Ming-liang.