Леонид Димов родился в южном бессарабском городке Измаил (в то время в составе Румынии) в семье экспортёра икры Наума Мордковича и учительницы Надежды Димовой. Несмотря на еврейско-болгарские корни, разговорным языком в семье был русский. В 1930-е годы семья перебралась в Бухарест, где Леонид поступил в школу, однако после принятия новых антисемитских законов, 31 августа 1940 года он был из неё исключён. Посредством связей, имеющихся в Измаиле у его дедушки и бабушки, Фёдора и Митродоры Димовых (у которых он в эти годы жил), мальчику сменили фамилию Мордкович на Димов, записав его незаконорожденным, после чего он смог продолжить среднее образование. В 1944 году закончил колледж (среднюю школу) «Сфынтул Сава» в Бухаресте и поступил на филологический факультет Бухарестского университета, который не окончил. На протяжении трёх лет изучал в этом же университете биологию, но был исключён за критику учения Мичурина в университетской дискуссии о лысенковщине. Публиковался с 1943 года.
Леонид Димов был известен своей независимой литературной позицией, которая привлекала к нему постоянное внимание службы внутренней безопасности Секуритате. В 1964 году вместе с поэтом Думитру Цепенягом на основе литературной группы «Лучафэрул» (при одноимённом журнале) Димов основал модернистское литературное направление ониризм, ориентирующееся на описание сновидений как абсолютной и объективной реальности.
Леонид Димов — автор поэтических сборников «Versuri» (1966), «7 poeme» (1968), «Pe malul Styxului» (На берегу Стикса, 1968), «Carte de vise» (Книга посещений, 1969), «Semne cere?ti» (1970), «Eleusis» (1970), «Deschideri» (Открытия, 1972), «A.B.C.» (1973), «La cap?t» (В конце, 1974), «Litanii pentru Horia» (Молитвы для Хории, 1975), «Dialectica v?rstelor» (Диалектика возрастов, 1977), «Tinere?e f?r? b?tr?ne?e» (Юность без старости, 1978), «Spectacol» (Спектакль, 1979), «Cele mai frumoase poezii» (Самые красивые стихи, 1980), «Ve?nica re?ntoarcere» (Вечное возвращение, 1982). В 1997 году в бухарестском издательстве Cartea Rom?neasc? вышел составленный Корином Брагой том основополагающих текстов создателей ониризма Леонида Димова и Думитру Цепеняга «Momentul oniric», а в 2007 году в бухарестском издательстве Curtea Veche — более полное издание теоретических текстов этих двух авторов «Onirismul estetic» (Эстетический ониризм). Письма к жене (Лучии Салам) «Scrisori de dragoste (Любовные письма, scrisori c?tre Lucia, 1943—1954)» под редакцией Корина Браги были изданы ясским издательством Polirom в 2003 году.
Переводил на румынский язык произведения Марселя Реймона (Marcel Raymond), Курцио Малапарте, Жерара де Нерваля, Андрея Белого и М. Ю. Лермонтова.
Дочь Леонида Димова от первого брака — Татьяна Вассу Димова (род. 1952) — румынский биолог, профессор Бухарестского университета.