Jej rodzicami są Aural Josiah „Joe” Lewis, pochodzący z Gujany z korzeniami afrykańskimi, oraz Maria Lewis, Walijka z korzeniami irlandzkimi i włoskimi. Ma dwóch braci. Uczęszczała do wielu szkół teatralnych i muzycznych, w tym m.in. do Sylvia Young Theatre School, Italia Conti Academy oraz do BRIT School. Uczyła się grać na pianinie i gitarze, kształciła się też jako autorka tekstów i kompozytorka. Wygrała wiele konkursów muzycznych. Żeby dorobić, pracowała jako m.in. recepcjonistka, kelnerka i sprzątaczka.
Na początku kariery muzycznej nagrała album demo pt. Twilight, a także cover piosenki „Lovin’ You” Minnie Riperton. W 2006 wzięła udział w przesłuchaniach do trzeciej edycji programu The X Factor. Podczas pierwszego etapu castingu zaśpiewała przed jurorami piosenkę „Over the Rainbow” i przeszła do drugiego etapu. Ostatecznie zakwalifikowała się do odcinków na żywo i przeszła do ścisłego finału. 16 grudnia 2006 roku została ogłoszona zwyciężczynią programu. W nagrodę otrzymała propozycję podpisania kontraktu muzycznego z wytwórniami Sony BMG i Syco Music.
W grudniu 2006 wydała debiutancki singiel „A Moment Like This”, który pobił ówczesny światowy rekord w pobieraniu utworów w wersji cyfrowej – 50 tys. pobrań w ciągu 30 minut[2]. W maju 2007 za ten utwór Lewis odebrała nagrodę Ivor Novello za „najlepszy brytyjski singiel”. Następnym singlem artystki została piosenka „Bleeding Love”, która została uznana w Wielkiej Brytanii najczęściej kupowanym singlem 2007. Obie piosenki zwiastowały debiutancki album piosenkarki pt. Spirit, który został wydany na początku listopada 2007. Krążek był najczęściej kupowanym debiutanckim albumem w Wielkiej Brytanii oraz Irlandii[3][4], zadebiutował też na pierwszym miejscu amerykańskiego notowania Billboard 200[5]. Pozostałymi singlami z płyty zostały piosenki: „Better in Time”, „Footprints in the Sand” (nagrany na potrzeby organizacji charytatywnej Sport Relief) i „Forgive Me”, a także cover utworu „Run” zespołu Snow Patrol.
W 2008 wystąpiła gościnnie na ceremonii zakończenia Igrzysk Olimpijskich w Pekinie, śpiewając utwór „Whole Lotta Love” z repertuaru zespołu Led Zeppelin. W tym samym roku została okrzyknięta „Człowiekiem roku” przez organizację PETA za walkę o godne traktowanie zwierząt. Była też nominowana do nagrody Grammy w trzech kategoriach, żadnej statuetki jednak nie wygrała. W listopadzie 2009 wydała drugą płytę studyjną pt. Echo, którą promowała singlami „Happy” i „I Got You”. 28 maja 2010 rozpoczęła się trasa koncertowa Lewis o nazwie The Labyrinth, podczas której artystka wykonywała swoje utwory z jej dwóch dotychczasowych płyt[6]. Jako jej support występowała Gabriella Cilmi[7]. Trasa obejmowała Wielką Brytanię i Irlandię, początkowo również Stany Zjednoczone – jako przyłączenie do trasy Bionic TourChristiny Aguilery[8], lecz owa trasa została przełożona na rok 2011[9]. Nazwa trasy pochodzi od filmu Labirynt, który był ulubionym filmem Leony Lewis z czasów dzieciństwa. 29 listopada 2010 roku został wydany album koncertowy zatytułowany The Labyrinth Tour Live from the O2. Również w 2010 nagrała utwór „I See You”, będącym tematem muzycznym do filmu Avatar w reżyserii Jamesa Camerona. Piosenka została napisana przez Jamesa Hornera oraz Simona Franglena i została nominowana w kategorii „Najlepszy oryginalny utwór” na 67. rozdaniu Złotych Globów.
22 sierpnia 2011 wydała singel „Collide”, który nagrała w duecie z Aviciim. Remiks do piosenki, który stworzył Afrojack, w 2012 był nominowany do Nagrody Grammy za najlepszy nagrany remiks. 9 grudnia 2011 Lewis wydała minialbum pt. Hurt: The EP, a 12 października 2012 premierę miał jej album pt. Glassheart, który promowała singlami: „Trouble” i „Lovebird”.
W czerwcu 2013 pojawiły się spekulacje, że czwarty album Lewis będzie albumem bożonarodzeniowym, co artystka potwierdziłą w kolejnym miesiącu[10][11]. Ujawniła, że płyta została nagrana na zalecenie szefa wytwórni Syco, Simona Cowella[12]. Album pt. Christmas, with Love wydała 29 listopada 2013.
3 czerwca 2014 potwierdziła rozwiązanie kontraktu z wytwórnią płytową Syco oraz podpisanie umowy z Island Records[13]. Krótko po zmianie wytwórni zaczęła pracę nad materiałem na swój piąty album. 14 kwietnia 2015 podczas kameralnego przyjęcia ujawniła, że jej nowa płyta będzie nosiła tytuł I Am[14]. 11 maja w rozgłośni radiowej BBC Radio 2 premierowo wyemitowała singiel „Fire Under My Feet”[15]. Przed premierą płyty wydała jeszcze dwa single: tytułowy i „Thunder”. 11 września premierę miał album pt. I Am[16].
Życie prywatne
Zamieszkała w londyńskiej dzielnicy Hackney, gdzie przeprowadziła się po rozstaniu z narzeczonym Lou Al-Chamaa[17]. Od 2010 jest związana z tancerzem Dennisem Jauchem, którego poślubiła w lipcu 2019[18] i z którym ma córkę Carmel (ur. 22 lipca 2022)[19].
Od 12. roku życia jest wegetarianką. W 2008 została (według PETA) człowiekiem roku[20]. Współpracuje też z World Society for the Protection of Animals[21]. W październiku 2008 roku odrzuciła propozycję współpracy z linią sklepów Harrods, argumentując swoją decyzję faktem sprzedaży ubrań ze skór zwierząt w tej sieci[22].