Средний из трёх внебрачных сыновей Никколо от Стеллы де Толомеи.
В 15 лет Леонелло был отправлен в Перуджу ко двору Строцци для изучения военного дела под руководством кондотьера Браччо да Монтоне. В 1424 году после смерти Браччо вернулся в Феррару. С 1429 по 1436 годы его учителем был гуманист Гуарино да Верона.
Леонелло стал наследником отца после смерти его сына от второго брака и казни (в 1425 году по обвинению в измене вместе со второй женой Никколо Паризиной Малатеста) старшего брата Уго Альдобрандино.
В 1429 году были начаты переговоры о заключении брака между Леонелло и Маргаритой Гонзага. Одним из условий брачного договора Гонзага выставили требование о признании Леонелло официальным наследником Никколо. Признан в 1429 году законным сыном Никколо папой Мартином V. Бракосочетание состоялось 1 января 1435 года при Мантуанском дворе.
Наследовал своему отцу в 1441 году. Его недолгое, 9-летнее правление не было отмечено ни чрезмерными жестокостями, ни военно-политическими предприятиями.
Сам Леонелло был государем нового типа: доблестный рыцарь, мудрый правитель, покровитель наук и искусств, поэт, страстный коллекционер. Говорили, что Леонелло предпочитал мир войне и учёных — солдатам. Ещё при жизни отца он пользовался широкой известностью в гуманистических кругах как щедрый и знающий меценат, а став правителем, отдался этому занятию еще интенсивней.
За время его правления Феррара стала одним из центров ренессансной культуры. Университет Феррары приобрёл широкую известность — здесь учились студенты не только из Италии, но и из многих стран Европы. Под патронажем Леонелло была построена первая больница Феррары.
При дворе д’Эсте работали величайшие художники того времени: Якопо Беллини, Андреа Мантенья, Рогир ван дер Вейден, Пизанелло. Дружеские отношения связывали Леонелло и Леона Баттисту Альберти, посвятившего ему несколько сочинений. Он руководил сооружением памятника Никколо III и завершил строительство городского кафедрального собора.
Леонелло не только разбирался в классической литературе, но и пробовал свои силы в поэзии. Его кумиром был Цезарь, и он постоянно перечитывал его «Записки» в подлиннике.
1-й брак (1 января 1435 года) — Маргарита Гонзага (ум. 3 июля 1439):
2-й брак (апрель 1444 года) — Мария Арагонская (ум. 1449) — внебрачная дочь Альфонса V Арагонского:
Внебрачная связь: