Philippe Léotard s'engage tôt dans la Légion avant de gagner les bancs de la Sorbonne où il passe une licence de lettres. C'est là qu'il rencontre Ariane Mnouchkine avec qui il fonde le Théâtre du Soleil en 1964 : une compagnie qui sillonne les théâtres de banlieues avec des pièces d'auteurs étrangers inconnus. L'un de leurs grands succès sera La Cuisine d'Arnold Wesker, un auteur anglais dont Philippe Léotard traduit plusieurs pièces pour Gallimard. Parallèlement il devient professeur au Collège Sainte-Barbe où il enseigne les lettres et la philosophie.
Sa première apparition à l'écran date de 1966 : il joue dans une version télévisée de Crimes et châtiments. Il quitte le Théâtre du soleil en 1970 et obtient un engagement au Théâtre National Populaire pour Les Anges meurtriers. Claude Sautet lui offre un rôle dans Max et les Ferrailleurs, puis c'est au tour de François Truffaut de lui donner sa chance avec Les Deux Anglaises et le Continent. C'est le début de sa carrière cinématographique.
Philippe Léotard tient pour la première fois la tête d'affiche avec Avoir vingt ans dans les Aures de Rene Vautier. Dès lors, et sans abandonner le théâtre, il enchaîne les tournages avec des réalisateurs comme Claude Miller pour Camille ou la comédie catastrophique, Yves Boisset dans R.A.S. ou encore Claude Lelouch à l'occasion du Le Bon et les méchants. Mais c'est avec La Balance de Bob Swaim en 1982 qu'il s'alloue l'estime de la profession, matérialisée par le César du Meilleur acteur en 1983, et celui du public. Ce film marque aussi le début de sa liaison avec Nathalie Baye qui sera sa partenaire à plusieurs reprises, notamment dans Une semaine de vacances de Bertrand Tavernier.
Après Tchao Pantin en 1983, Philippe Léotard se fait de plus en plus rare au cinéma. Philippe Léotard a continué à faire des apparitions sporadiques au cinéma, dirigé notamment par Claude Lelouch dans Il y a des jours... et des lunes en 1989 et dans Les Misérables en 1994.
Son dernier film est un court métrage, La Momie à mi-mots.
