Родился 11 cентября 1915 года в селе Львове Волоколамского района Московской области в крестьянской семье. Окончил 7 классов неполной средней школы. Работал на производстве. В 1938 году призван в ряды Красной Армии. В том же году окончил школу младших авиационных специалистов, а в 1939 году - Одесскую военную авиационную школу лётчиков. Служил младшим лётчиком в строевых частях Киевского Особого военного округа.

С июня 1941 года младший лейтенант И. Д. Леонов в действующей армии. В составе 2-го истребительного авиационного полка  ( позднее преобразованного в 85-й Гвардейский ИАП )  сражался на Южном фронте. Летал на И-153, ЛаГГ-3, Як-1 и Як-9.

В конце июля 1943 года наши истребители сопровождали 6 Пе-2 на бомбометание с пикирования по сильно укреплённому опорному пункту врага. В районе Матвеева Кургана они встретили около 30 "Мессеров", патрулировавших на различных высотах. Первую попытку истребителей противника атаковать Пе-2 сверху отразила пара во главе с Героем Советского Союза капитаном Петром Дзюбой. Путь нескольким Ме-109, прорвавшимся к группе Пе-2, преградил Иван Леонов и сбил одного из них, 2 вражеских самолёта уничтожили Тимофей Лобок и Алексей Бритиков. Пётр Дзюба с дистанции 50 метров сбил ещё одного "Мессера". Тем временем наши пикировщики беспрепятственно отбомбились по цели и развернулись на обратный курс.

Фашистские истребители несколько раз пытались атаковать Пе-2, но, потеряв ещё один самолёт, вынуждены были отказаться от преследования советских пикировщиков.

К сентябрю 1943 года командир эскадрильи 85-го Гвардейского истребительного авиационного полка  ( 6-я Гвардейская истребительная авиационная дивизия, 8-я Воздушная армия, Южный фронт )  Гвардии капитан И. Д. Леонов совершил 267 боевых вылетов, в воздушных боях лично сбил 5 и в составе группы 4 самолёта противника. Особенно отличился в боях при освобождении города Мелитополя.

За образцовое выполнение боевых заданий командования, мужество, отвагу и геройство, проявленные в борьбе с немецко - фашистскими захватчиками, Указом Президиума Верховного Совета СССР от 1 ноября 1943 года Гвардии капитан Иван Дмитриевичу Леонов удостоен звания Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали "Золотая Звезда"  ( № 1274 ).

Но не суждено было отважному лётчику встретить долгожданный День Победы. 30 мая 1944 года Гвардии майор И. Д. Леонов погиб в авиационной катастрофе. Похоронен в Киеве в Парке Вечной Славы.

Награжден орденами: Ленина, Красного Знамени  ( дважды ), Отечественной войны 1-й степени, Красной Звезды; медалями.

Список всех известных побед Гвардии майора И. Д. Леонова:
( Из книги М. Ю. Быкова - "Победы сталинских соколов".  Издательство "ЯУЗА - ЭКСМО", 2008 год. )