Né à Buenos Aires, Leonardo Sbaraglia grandit dans un environnement artistique propice. Sa mère, Roxana Randon, est une célèbre professeure de théâtre et actrice argentine, tandis que son père travaille dans le domaine de la psychanalyse. Véritable « enfant de la balle », le jeune Leonardo suit des cours de comédie dès son adolescence, notamment sous la direction d'Agustín Alezzo. Il fait ses premiers pas devant la caméra à quatorze ans dans Los chicos de la guerra avant de se faire remarquer dans La Nuit des crayons en 1986.

Sa carrière décolle véritablement dans les années 1990 en Argentine, où il s'impose aussi bien à la télévision qu'au cinéma. Il devient une icône de la jeunesse grâce au succès colossal de la série télévisée Clave de sol, suivie de rôles marquants dans El garante ou Epitafios. Côté grand écran, son interprétation de la légende du rock Tanguito dans Tango feroz (1993) confirme son statut d'acteur incontournable en Amérique latine. Il enchaîne ensuite les succès publics et critiques avec Caballos salvajes et Cenizas del paraíso.

Au début des années 2000, Sbaraglia s'installe en Espagne et entame une prolifique carrière internationale très remarquée. Il décroche le Prix Goya du meilleur espoir masculin pour le thriller Intacto (2001) avant de briller dans En la ciudad sin límites, Salvador et Les Proies. Sa polyvalence lui permet de tourner pour de grands réalisateurs, incarnant l'un des protagonistes du film à sketchs nommé aux Oscars Les Nouveaux Sauvages (2014) puis l'ancien amant d'Antonio Banderas dans Douleur et Gloire (2019).

Toujours omniprésent sur les écrans, l'acteur argentin alterne les projets d'envergure en streaming comme la série Élite ou le film d'espionnage Cuban Network d'Olivier Assayas. Récemment acclamé pour ses rôles dans El Profesor et L'homme qui aimait les soucoupes volantes, il retrouve en 2026 Almodovar pour Autofiction. Cette même année, il franchit une nouvelle étape en décrochant l'un des rôles principaux du thriller Karma de Guillaume Canet, où il donne la réplique à Marion Cotillard et Denis Ménochet.

Côté séries, Leonardo Sbaraglia trouve des rôles majeurs dans Tout le monde ment et Las Azules.