Родился в Орле в обеспеченной семье землемера-таксатора Николая Ивановича Андреева (1847—1889) и Анастасии Николаевны Андреевой (Пацковской) — дочери разорившегося польского помещика. Ещё с детства проявлял интерес к чтению. Учился в орловской классической гимназии (1882—1891). Увлекался творчеством Шопенгауэра и Гартмана.
Юношеская впечатлительность и развитое воображение несколько раз побуждали его на безрассудные поступки: в возрасте 17 лет решил испытать силу воли и лёг между рельсов перед приближающимся паровозом, но остался невредим.
Окончив гимназию, Андреев поступил на юридический факультет Петербургского университета; после смерти отца материальное положение его семьи ухудшилось, а сам Андреев начал злоупотреблять алкоголем. Одно время Андрееву приходилось даже голодать. В Петербурге пробовал писать свои первые рассказы, однако из редакции, как Андреев вспоминает в своих мемуарах, их вернули со смехом. Отчисленный за неуплату, он поступил на Юридический факультет Московского университета. В Москве, по словам самого Андреева: «материально жилось лучше: помогали товарищи и комитет».
В 1894 г., после любовной неудачи, Андреев пытался покончить жизнь самоубийством. Последствием неудачного выстрела было церковное покаяние и порок сердца, который и вызвал впоследствии смерть писателя. После этого случая Леонид Андреев опять был вынужден бедствовать: теперь ему необходимо было кормить мать, своих сестёр и братьев, перебравшихся в Москву. Перебивался случайными заработками, преподаванием и рисованием портретов на заказ. В политической деятельности не участвовал.
В 1897 успешно сдал выпускные экзамены в университете, что открыло ему дорогу в адвокатуру, которой он занимался вплоть до 1902 г. В том же году начинает свою журналистскую деятельность в газете «Московский вестник» и «Курьер». Свои фельетоны он подписывал псевдонимом «James Lynch». В 1898 г. в «Курьере» был напечатан его первый рассказ: «Баргамот и Гараська». По словам Андреева, рассказ был подражанием Диккенсу, однако молодого автора заметил Максим Горький, который и пригласил Андреева в книгоиздательное товарищество «Знание», объединяющее многих молодых писателей.
Настоящая слава пришла к Андрееву после издания в 1901 г. его рассказа «Жили-Были» в журнале «Жизнь».
В 1902 Андреев женится на А. М. Велигорской — внучатой племяннице Тараса Шевченко. В том же году становится редактором «Курьера», вынужден был дать полиции подписку о невыезде из-за своей связи с революционно настроенным студенчеством. Благодаря помощи Максима Горького большим тиражом был выпущен первый том его сочинений. В эти годы обозначилась направленность творчества и его литературная манера.
В 1905 г. приветствовал Первую русскую революцию; укрывал у себя дома скрывавшихся членов РСДРП, 10 февраля был посажен в тюрьму за то, что накануне на его квартире прошло тайное собрание ЦК (25 февраля выпущен под залог, внесённый Саввой Морозовым). В этом же году он напишет рассказ «Губернатор», ставший откликом на убийство 17 февраля эсером И. Каляевым московского генерал-губернатора великого князя Сергея Александровича.
В 1906 г. писатель вынужден уехать в Германию, где у него рождается второй сын, Даниил, который впоследствии станет писателем (его перу принадлежит трактат «Роза Мира»). От родов умирает его жена (похоронена в Москве на кладбище Новодевичьего монастыря).
Андреев уезжает на Капри (Италия), где живёт у Горького. После начала реакции в 1907 г. Андреев разочаровывается в самой революции. Он отходит от революционно настроенного писательского окружения Горького.
В 1908 г. Андреев женится на А. И. Денисевич (Карницкой) и переезжает в собственный дом в Ваммельсу. На вилле «Аванс» (название было выбрано из-за того, что дом был построен на аванс от издателя) Леонид Андреев пишет свои первые драматические произведения.
С 1909 г. активно сотрудничает с модернистскими альманахами издательства «Шиповник».
Начало Первой мировой войны Леонид Андреев встретил с воодушевлением:
Во время войны Андреев публикует драму о военных событиях в Бельгии («Король, закон и свобода»). Впрочем, произведения писателя в то время посвящены, в основном, не войне, а мещанскому быту, теме «маленького человека».
После Февральской революции 1917 г. входил в редакционный совет реакционной газеты «Русская воля».
Октябрьскую революцию не принял. После отделения Финляндии от России оказался в эмиграции. Последние сочинения писателя проникнуты пессимизмом и ненавистью к большевистской власти («Дневник сатаны», «SOS»).
12 сентября 1919 года Леонид Андреев скоропостижно скончался от порока сердца. Был похоронен в Мариоках. В 1956 г. перезахоронен в Ленинграде на Волковом кладбище. С 1956 года его избранные произведения часто переиздавались в СССР.
В 1991 г. в Орле, на родине писателя, открылся дом-музей Леонида Андреева.
Первые произведения Леонида Андреева, во многом под воздействием бедственных условий, в которых тогда находился писатель, проникнуты критическим анализом современного мира («Баргамот и Гараська», «Город»). Однако ещё в раннем периоде творчества писателя проявились его основные мотивы: крайний скептицизм, неверие в человеческий разум («Стена», «Жизнь Василия Фивейского»), возникает увлечение спиритуализмом и религией («Иуда Искариот»). Рассказы «Губернатор», «Иван Иванович» и пьеса «К звёздам» отражают симпатию писателя к революции. Однако после начала реакции 1907 г. Леонид Андреев отказался от всяких революционных взглядов, считая, что бунт масс может привести лишь к большим жертвам и большим страданиям (см. «Рассказ о семи повешенных»). В своём рассказе «Красный смех» Андреев нарисовал картину ужасов современной войны (реакция на Русско-японскую войну 1905 г.). Недовольство его героев окружающим миром и порядками неизменно выливается в пассивность или анархический бунт. Предсмертные сочинения писателя проникнуты депрессией, идеей о торжестве иррациональных сил.
Несмотря на патетический настрой произведений, литературный язык Андреева, напористый и экспрессивный, с подчёркнутым символизмом, встречал широкий отклик в художественной и интеллигентской среде дореволюционной России. Положительные отзывы об Андрееве оставили Максим Горький, Рерих, Репин, Блок, Чехов и многие другие. Произведения Андреева отличает резкость контрастов, неожиданные повороты сюжета, в сочетании со схематической простотой слога. Леонид Андреев признан ярким писателем Серебряного века русской литературы.