Леонор Варела родилась в Сантьяго, Чили, в семье известного чилийского нейробиолога и философа Франсиско Варела и франко-венгерской танцовщицы Леонор Пальма. Кроме Леонор в семье было еще трое детей.
После прихода к власти Пиночета семья эмигрировала в Коста-Рику, где Леонор провела первые 7 лет своей жизни. Из Коста-Рики Варела разрешили вернуться в Чили, но вскоре Франсиско получил работу в Германии. После нескольких лет в Германии семья снова переезжает в Чили, но опять ненадолго. В 1986 году они снова вернулись в Европу, осев во Франции, где Варела занимался исследованиями в Политехнической школе и преподавал нейробиологию в Парижском университете. С этого времени Леонор постоянно живет в Париже. В начале 90-х Леонор поступает в Парижскую консерваторию.
Первой ее работой был детский телефильм «Pony Track», снимавшийся в Исландии и вышедший на экраны в 1995 году. После этого она много снимается в различных телефильмах и европейских кинофильмах. В Голливуде ее карьера началась с небольшой роли в фильме «Человек в железной маске» 1998 года.
В 1999 году сыграла главную роль в высокобюджетном телефильме «Клеопатра», пройдя отбор среди 35 других претенденток. Ее партнерами по съемочной площадки были Тимоти Далтон (Цезарь) и Билли Зейн (Марк Антоний), с которым у нее завязался роман, длившийся около двух лет.
В 2000-х годах продолжала много сниматься. 2002 году снялась в фильме «Блэйд 2». В 2005 году была номинирована на кинопремию Ариель Мексиканской киноакадемии за фильм «Невинные голоса».
Несколько раз появлялась в различных мужских журналах, в основном — «Максим», который в 2002 году поставил ее на 11 место в списке 100 самых сексуальных женщин года.
Убежденная вегетарианка с 12 лет. Является активистом общества защиты китов. Свободно говорит на английском, французском, испанском и итальянском языках. На съемках фильма «Адская поездка» познакомилась и некоторое время встречалась с актером Эриком Бальфуром.
13 апреля 2008 года вышла замуж за американского музыканта и филантропа Кевина Дуэйна Тэйлора.