Николай Сергеевич Леонов родился 22 августа 1928 года в селе Алмазово (Горловский район, Рязанская область), с 1938 года жил и учился в школе в городе Электросталь (Московская область), где на железной дороге работал его отчим.

Окончив школу с золотой медалью и хорошо освоив немецкий язык, он в 1947 году поступил в МГИМО, где в качестве основного языка выбрал испанский. Во время учебы, будучи комсоргом группы, заступился за товарищей, составил коллективное письмо в их защиту, пойдя на конфликт с ректором, а затем и с министром Вышинским. В результате, имея "красный" диплом, он в 1952 году вместо МИДа был распределен на работу в Издательство иностранной литературы. В апреле 1953 года его отправили в Мексику для углубления знаний испанского языка, там он поступил на учебу на филологический факультет Мексиканского университета.

По пути в Мексику, на пароходе, Леонов случайно познакомился с Раулем Кастро, а тот позже, в 1956 году, свел его с Че Геварой. Знакомство с ними обернулось тем, что Леонова вскоре выслали из Мексики. Он вернулся на работу переводчиком в издательство, одновременно учился в заочной аспирантуре Института истории АН СССР, изучал историю Латинской Америки. В 1958 году ему предложили работать в разведке. В октябре 1959 года, во время учебы в разведшколе, Леонова направили в Мексику в составе делегации заместителя Председателя Совета министров СССР А.И.Микояна - на открытие советской выставки, которая позже, по просьбе кубинского руководства, эта выставка была переведена на Кубу. Там Николай Леонов возобновил знакомство с братьями Кастро и Че Геварой, стоявшими во главе революционного правительства. В 1961 году разведчик был направлен в Мексику под дипломатическим прикрытием третьего секретаря посольства, где проработал до 1968 года, в конце которого он был назначен на должность заместителя начальника отдела. Во время работы в центральном аппарате разведки он выезжал в краткосрочные загранкомандировки в Перу, Панаму, Никарагуа, Афганистан, другие страны.

В 1971 году Николай Леонов стал заместителем начальника информационно-аналитического управления внешней разведки (Первого главного управления), в сентябре 1983 года был повышен в должности до заместителя начальника разведки, а в 1990-1991 годах был начальником аналитического управления КГБ СССР.

В 1991 году Николай Леонов вышел в отставку, впоследствии стал одним из учредителей АО "Российская национальная служба экономической безопасности". С 1994 года генерал-лейтенант в отставке Николай Леонов преподает в МГИМО; доктор исторических наук, профессор кафедры дипломатии.  Одновременно с 1996 года он сотрудничает с программой "Русский Дом" телекомпании "Московия" и одноименным журналом, выступая в качестве политического обозревателя.