Après des études d'anthropologie et de psychologie au très prestigieux Sarah Lawrence College, Téa Leoni passe une partie de sa jeunesse à voyager aux quatre coins du monde. De retour aux Etats-Unis, elle s'installe à New York où elle obtient le rôle principal de la série Angels 88, un remake de Drôles de dames qui ne voit finalement jamais le jour. Malgré ce faux départ, elle est décidée à devenir comédienne et elle s'installe à Los Angeles.

Au début des années 90, Téa Leoni enchaîne les seconds rôles dans des productions hollywoodiennes comme Dans la peau d'une blonde, Une équipe hors du commun et Wyatt Earp. Mais ce sont ses rôles de call-girl dans Bad Boys (1995) et de journaliste à scandale hystérique dans la série Une fille à scandales (1995-1998) qui la révèlent au grand public.

Téa Léoni est dès lors de plus en plus courtisée et joue dans des productions de grande envergure. Elle est à l'affiche du film-catastrophe Deep impact (1998), côtoie Nicolas Cage dans la comédie Family man (2000) et participe à l'aventure Jurassic Park III (2001). En 2002, elle joue sous la direction de Woody Allen dans Hollywood ending puis aborde, deux ans plus tard, la comédie sociale avec Spanglish. Après avoir joué les Braqueurs amateurs aux côtés de Jim Carrey , Téa Leoni s'illustre en 2009 dans la comédie fantastique La Ville fantôme.