Léger was de zoon van de veeboer Henri-Armand Léger en zijn vrouw Marie-Adèle Daunou. Zijn vader overleed toen hij 4 jaar oud was. Op zestienjarige leeftijd ging Léger in de leer bij een architect in Caen. In 1900 vertrok hij naar Parijs, waar hij zich in de wijk Montparnasse vestigde. Ook hier werkte hij een tijd bij een architect. Hij volgde lessen aan de École des Arts Décoratifs en aan de Académie Julian. Zijn schilderijen uit deze tijd staan onder invloed van het impressionisme.

In 1907 ontmoette hij Robert Delaunay en via hem raakte hij bevriend met Alexandre Archipenko, Chaïm Soutine, Amédeo Modigliani en Marc Chagall. Ook kwam hij in contact met het werk van Cézanne, dat hem ertoe bracht om meer kubistisch te gaan werken. In 1911 sloot Léger zich aan bij de Puteaux-groep ten huize van Jacques Villon.

Tijdens de Eerste Wereldoorlog werd hij gemobiliseerd in het Franse leger. Nadat hij gewond was geraakt werd hij in 1916 afgekeurd waarna hij zijn schildersbestaan hervatte. Zijn werken uit de jaren twintig worden gekenmerkt door een mechanische uitbeelding van mensen en objecten. In 1920 ontmoette Léger de architect Le Corbusier, met wie hij vriendschap sloot. Ook maakte hij kennis met het werk van Piet Mondriaan en Theo van Doesburg, dat een inspiratiebron voor hem werd. In 1923 maakte Léger de decors en kostuums voor het avant-gardistische ballet La création du monde. In deze periode werkte hij ook mee aan diverse films, zoals L'inhumaine (1924) van Marcel L'Herbier waarvoor hij een futuristisch laboratorium maakte. In 1935 bezochten Léger en Le Corbusier de Verenigde Staten. Het Museum of Modern Art in New York organiseerde een expositie van zijn werken. Ook tijdens de Tweede Wereldoorlog verbleef Léger in de VS. Hij keerde in 1945 terug naar Frankrijk.

Enkele jaren later betrok hij een atelier in Biot, bij de Middellandse Zee, nabij Nice en Antibes. Hij bleef daar twee jaar en keerde toen weer terug naar de omgeving van Parijs. In 1955 overleed hij op 74-jarige leeftijd in zijn huis in Gif-sur-Yvette.