Теа Леони родилась 25 февраля 1966 года в Нью-Йорке, США.

В 1984 году Теа закончила школу «Putney High School» и поступила в колледж Сары Лоренс на факультет антропологии и психологии, который вскоре бросила и отправилась путешествовать по миру. После этого Теа жила в Италии, Японии и на островах Сен-Круа.

В 1988 году Леони возвращается в США. Она участвует в кастинге и получает роль в сериале «Ангелы Чарли». К сожалению, первые отснятые серии так и не вышли на экраны из-за забастовок в Голливуде. Тем не менее Теа решает продолжить карьеру актрисы и переезжает жить в Лос-Анджелес.

Первым сериалом с участием актрисы стала известная телеэпопея «Санта-Барбара». Теа исполняла роль Лизы ДиНаполи}. В сериале Лиза начала сниматься с 1989 года.

Дебют в большом кино состоялся в 1995 году. Теа снимается в боевике «Плохие парни», соседствуя на съемочной площадке с именитыми Уиллом Смитом и Мартином Лоуренсом. Фильм имеет огромный успех в прокате, а Леони становится настоящей голливудской звездой.

В 1998 году Теа снимается в фантастическом фильме «Столкновение с бездной». Лента получает огромные кассовые сборы, что благоприятно сказывает и на карьере Леони, которая начинает получать все больше предложений от продюсеров.

В 2000 году Леони получила премию «Сатурн» в номинации «Лучшая актриса» за свою роль в фильме «Семьянин», над которым она работала вместе с Николасом Кейджем.

В 2001 году в прокат вышла третья часть фильма «Парк юрского периода», в котором Леони снялась вместе с Уильямом Мейси и Сэмом Нилом.

В 2002 году Теа снялась в фильме Вуди Аллена «Голливудский финал».

В 2004 году с участием Леони состоялась премьера комедии «Испанский-английский», где также снялись Адам Сэндлер и Пас Вега.

В 2005 году Теа исполнила главную роль в фильме «Аферисты: Дик и Джейн развлекаются» в паре с Джимом Керри.

В 2007 году актриса сыграла главную роль в триллере «Убей меня», а в 2008 году появилась в комедии «Город призраков».

В 2009 году Леони вместе с Билли Боб Торнтоном появилась в комедии «Запах успеха».

В 2011 году ей досталась второстепенная роль в криминальной комедии «Как украсть небоскреб», с Беном Стиллером, Эдди Мерфи и Кейси Аффлеком в главных ролях.

В том же 2011 году Теа вместе с Сигурни Уивер появилась в главных ролях в телефильме «Весна/Осень».

В 2014 году Теа приступила к исполнению роли Элизабет Маккорд в сериале «Государственный секретарь».