Родился 11 ноября 1974 года в Лос-Анджелесе (Калифорния). Единственный ребёнок подпольного художника и распространителя комиксов Джорджа Ди Каприо и юридического секретаря Ирмелин Инденбиркен. 

Актёрский талант начал проявлять ещё в детстве: в пять лет стал участником детского шоу Romper Room, но его выгнали за плохое поведение на съёмочной площадке. Окончательно связать жизнь с актёрским мастерством решил уже в школе.

Известность принесла роль в картине Лассе Халльстрёма «Что гложет Гилберта Грейпа»: актёр сыграл мальчика по имени Арни, умственно отсталого брата главного героя. Роль самого Гилберта исполнил Джонни Депп.

Леонардо Ди Каприо — лауреат многочисленных наград, включая премии «Оскар» (2016), «Золотой глобус» (2005, 2014, 2016), BAFTA (2016), Гильдии киноактёров США (2016), а также «Серебряный медведь» (1997) Берлинского кинофестиваля. 

Леонардо Ди Каприо предпочитает не комментировать личную жизнь и крайне редко говорит о своих отношениях публично. Он ни разу не был женат, детей у него нет. 

В 2017 году стало известно о романе Ди Каприо с падчерицей Аль Пачино Камилой Морроне, который продлился около пяти лет. Первый официальный выход пары в свет состоялся в 2020 году на церемонии вручения премии «Оскар». Но как только Камиле исполнилось 25, Ди Каприо разорвал с ней отношения.