Née de l'union d'un père français, Claude Caron, pharmacien, et d'une mère américaine, Margaret Petit, elle-même une danseuse de Seattle, Leslie Caron, commence des études de danse classique à l'âge de 11 ans. Entrée à 16 ans dans la troupe des Ballets des Champs-Élysées de
Roland Petit, elle tient, en 1948, le rôle du Sphinx dans le ballet de
David Lichine La Rencontre, où elle est découverte par
Gene Kelly qui la fait tourner avec lui dans Un Américain à Paris de
Vincente Minnelli (1951).
L'énorme succès public et critique de cette comédie musicale lui ouvre les portes d'Hollywood. Placée sous contrat avec la MGM, elle y tourne notamment :
Après une dernière grande production américaine, Fanny (1961), adaptation de la célèbre Trilogie marseillaise de
Marcel Pagnol et de sa version musicale créée à Broadway en 1954, la comédienne s'éloigne progressivement du grand écran, apparaissant occasionnellement dans quelques superproductions, comme Paris brûle-t-il ? de René Clément, en 1966, ou dans des films plus intimistes, comme L'Homme qui aimait les femmes de François Truffaut, en 1977.
À l'affiche en 2001 dans
Le Chocolat de Lasse Hallström aux côtés de
Juliette Binoche, en 2003, elle rejoint le casting choral du film
Le Divorce de
James Ivory puis elle participe à Justice en accusation, un épisode écrit pour elle de la série télévisée américaine New York unité spéciale, et qui lui a permis de remporter l'Emmy de la meilleure actrice invitée dans une série dramatique en 2007.
Leslie Caron était sur la scène du Théâtre du Châtelet à Paris en février 2010. Elle y a joué le rôle de Madame Armfeldt dans la version française de A Little Night Music, spectacle musical de Stephen Sondheim inspiré de Sourires d'une nuit d'été d'
Ingmar Bergman. .
Son Étoile a été dévoilée le 8 décembre 2009 sur le prestigieux Hollywood Boulevard entre celles de
Gene Kelly et
Louis Jourdan.