Nació con el nombre de Elizabeth Téa Pantaleoni en la ciudad de Nueva York. Hija de Anthony Pantaleoni, un abogado y de Emily Patterson. Su abuelo por parte de padre es Guido Pantaleoni. Se graduó en Brearley School, The Putney School y Sarah Lawrence College, también estudió antropología y psicología.
Leoni está casada con el actor David Duchovny. Se casaron el 6 de mayo de 1997. Su primera hija es Madelaine West Duchovny, que nació el 24 de abril de 1999 y su hijo Kyd Miller Duchovny, nació 15 de junio de 2002. El 15 de octubre de 2008, Leoni y Duchovny anunciaron su separación, sin embargo, hoy en día vuelven a estar juntos.
Un asteroide llamado 8299 Téaleoni, fue nombrado en honor a su personaje como reportera en la película Deep Impact.
Téa actuó en los siguientes films a lo largo de toda su carrera:
2011 Tower Heist
2008 Ghost Town
2007 You Kill Me
2005 Fun with Dick and Jane
2004 Spanglish
2002 People I Know Jili Hopper
Hollywood Ending
2001 Parque Jurásico III
2000 The Family Man
1998 Deep Impact
1996 Flirting with Disaster
1995 Bad Boys
1994 Wyatt Earp
Counterfeit Contessa (TV)
1992 A League of Their Own
1991 Switch_(película)