Leelee Sobieski est née d'un père français, Jean Sobieski, artiste-peintre et acteur (qui joua dans des westerns spaghetti et plusieurs films français) et d'une mère polono-américaine écrivaine, Élisabeth Salomon. Elle prétend être une descendante du roi Jean III Sobieski de Pologne, bien qu'elle ne le soit pas.
Elle commence à être connue du grand public durant son adolescence grâce à son rôle dans le film
Deep Impact en 1998 et celui d'une lolita dans le film Eyes Wide Shut de Stanley Kubrick (elle n'a pas 15 ans lors du tournage des scènes où elle interprète une nymphette).
Sa connaissance de la langue française lui permet de jouer des rôles principaux dans L'Idole en 2002, La fille d'un soldat ne pleure jamais en 1998, ou le feuilleton télévisé Les Liaisons dangereuses en 2003.