Родился 14 января 1936 г. в Москве в семье известного психолога Алексея Николаевича Леонтьева. Закончил в 1958 г. романо-германское отделение филологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова по специальности «немецкий язык». С 1958 по 1975 г. работал в Институте языкознания АН СССР — сначала младшим научным сотрудником, затем (с 1966 г.) старшим, затем (с 1969 г.) руководителем Группы психолингвистики и теории коммуникации. В 1963 г. защитил диссертацию на соискание ученой степени кандидата филологических наук на тему «Общелингвистические взгляды И. А. Бодуэна де Куртенэ», в 1968-м — докторскую диссертацию по филологическим наукам на тему «Теоретическая проблема психолингвистического моделирования речевой деятельности», а в 1975-м — докторскую диссертацию по психологическим наукам на тему «Психология речевого общения».
С 1975 г. — заведующий кафедрой методики и психологии Института русского языка им. А. С. Пушкина, с 1976-го — профессор. С 1986 г. — профессор кафедры методики преподавания иностранных языков Московского государственного педагогического института им. В. И. Ленина (ныне Московский педагогический государственный университет), а с 1997 г. — профессор кафедры психологии личности факультета психологии МГУ.
В 1992 г. избран действительным членом Российской академии образования, а в 1997-м — действительным членом Академии педагогических и социальных наук. Автор более 30 книг и более 800 статей. Был членом президиума правления Педагогического общества РСФСР и руководителем секции «Массовые коммуникации в обучении и воспитании» ПО РСФСР, председателем Научно-методического Совета по интенсивному обучению иностранным языкам при АПН СССР, председателем Научно-методического Совета по теории и методике лекционной пропаганды Общества «Знание» РСФСР, членом редколлегий различных методических журналов, руководителем экспертного совета по языковой политике в учреждениях образования при Министерстве просвещения РФ.
Проблемами педагогики и педагогической психологии занимался начиная с 70-х гг. Много лет сотрудничал с Ш. А. Амонашвили, В. В. Давыдовым и другими видными психологами и педагогами. Был руководителем Лаборатории языкового образования Временного научно-исследовательского коллектива «Школа» и одноименной лаборатории в Московском институте развития образовательных систем (МИРОС). Автор множества научных и популярных статей по вопросам школьного и вузовского образования, в том числе в «Учительской газете», журналах «Семья и школа» и «Знание — сила».
С 1997 г. — научный руководитель ассоциации «Школа 2000…» (ныне Межрегиональная общественная организация содействия развитию Образовательной программы «Школа 2100»), с 2001 по 2004 г. — президент этой организации. Руководитель авторского коллектива и основной автор Образовательной программы «Школа 2100». Умер 12 августа 2004 г. в Москве.