Nielsen wuchs in Tulita (früher Fort Norman) in den Northwest Territories, Kanada, auf. Sein aus Dänemark stammender Vater diente als Mountie und erzog ihn sehr streng; die Mutter stammte aus Wales. Sein Onkel Jean Hersholt war ein erfolgreicher Schauspieler. Leslie Nielsen studierte an der Academy of Radio Arts in Toronto, bevor er an das Neighborhood Playhouse von New York wechselte.
Sein Kinofilmdebüt gab er 1956 in König der Vagabunden von Michael Curtiz. Daraufhin erhielt er eine größere Rolle im erfolgreichen Science-Fiction-FilmAlarm im Weltall (Forbidden Planet), die Nielsen wiederum einen längerfristigen Vertrag mit dem Filmstudio Metro-Goldwyn-Mayer und damit diverse Engagements in größeren Hollywoodproduktionen einbrachte, ohne ihn jedoch in die erste Riege der Charakterdarsteller zu heben. Nielsen war beim Casting für die Figur des Messala im MonumentalfilmBen Hur (1959) in der engeren Auswahl, bevor sich Regisseur William Wyler für Stephen Boyd entschied. Entsprechende Testaufnahmen wurden auf DVD veröffentlicht.
Nachdem er bereits über 30 Jahre als Schauspieler für Kino- und Fernsehproduktionen sowie als Disc-Jockey bei diversen Radiosendern gearbeitet hatte, erfuhr Nielsen 1980 durch die Komödie Die unglaubliche Reise in einem verrückten Flugzeug einen Karriereschub. Zwar spielte er in dem Film nur eine Nebenrolle, konnte in dieser jedoch mit seiner Fähigkeit glänzen, trotz absurd-komischer Dialoge und Slapstick-Einlagen äußerlich völlig ernst und ungerührt zu bleiben, in Verbindung mit der würdevollen Haltung eines reifen Herren, was sein Markenzeichen wurde. Eine längere erfolgreiche Zusammenarbeit als Komödiendarsteller mit dem Filmemacher-Trio ZAZ (Zucker Abrahams Zucker) folgte. 1982 übernahm er die Hauptrolle der von ZAZ geschriebenen und produzierten US-Fernsehserie Die nackte Pistole (Police Squad!), deren nur sechs Folgen heute Kultstatus besitzen und für die Nielsen eine Emmy-Nominierung erhielt. 1987 hatte er auch einen Gastauftritt in der Serie Ein Engel auf Erden.
Der auf der Serie aufbauende Kinofilm Die nackte Kanone (The Naked Gun, 1988) wurde zu einem Welterfolg und einem wegweisenden Klassiker des Slapstick-Films. Die Rolle des tollpatschigen Polizei-Sonderermittlers Frank Drebin, die untrennbar mit Nielsen verbunden ist, spielte er noch in zwei Fortsetzungen, Die nackte Kanone 2½ (1991) und Die nackte Kanone 33⅓ (1994). Es folgten diverse weitere Haupt- und Nebenrollen in ähnlichen Filmen.
Nielsen war viermal verheiratet. Aus seiner zweiten Ehe gingen zwei Töchter hervor. Erik Nielsen, einer seiner Brüder, war zwischen 1984 und 1986 Vizepremier und Verteidigungsminister Kanadas.
Leslie Nielsen war Officer des Order of Canada und hat auf dem Hollywood Walk of Fame einen Stern. Am 28. November 2010 starb er im Alter von 84 Jahren in einem Krankenhaus in Fort Lauderdale, Florida, an den Folgen einer Lungenentzündung.[2] Seine letzte Ruhestätte fand Nielsen auf dem Evergreen Cemetery in Fort Lauderdale.[3]