Elisabeth Téa Pantaleoni naît en 1966 à New York d'un père d'ascendance italo-polonaise et d'une mère Texane. Elle a fait des études d'anthropologie et de psychologie au Sarah Lawrence College. Après avoir voyagé aux quatre coins du monde, elle revient aux États-Unis et s'installe à New York.
Ses débuts d'actrice datent de 1988, année au cours de laquelle elle est engagée pour jouer dans la série Angels 88, reprise de la série Drôles de dames. Cependant, le projet ne verra jamais le jour. Cet échec ne la décourage pas et l'incite à devenir comédienne. C'est principalement pour cette raison qu'elle s'installe ensuite à Los Angeles.
En 1989, elle joue - en remplacement - Lisa di Napoli dans le soap opera Santa Barbara.
Après des apparitions dans de grandes productions hollywoodiennes (Dans la peau d'une blonde, Une équipe hors du commun et
Wyatt Earp) et dans une série (Flying Blind), Téa Leoni devient célèbre à partir de 1995 grâce à
Bad Boys, film dans lequel elle incarne une photographe, et Une fille à scandales, série télévisée dans laquelle elle incarne pendant trois saisons une journaliste employée par un tabloïd à scandales.
Depuis, on l'a vue notamment dans
Deep Impact, film catastrophe dans lequel elle partage l'affiche avec Morgan Freeman et Robert Duvall, Family Man, un conte de Noël avec Nicolas Cage, Jurassic Park III, Hollywood Ending de Woody Allen,
Spanglish avec Adam Sandler, Braqueurs amateurs, comédie avec Jim Carrey et You Kill Me avec Ben Kingsley.
Elle s'est mariée le 6 mai 1997 avec l'acteur américain David Duchovny. Ils ont deux enfants : Madelaine West (24 avril 1999) et Kyd Miller (15 juin 2002). Le couple résidait à Malibu. Téa Leoni est végétarienne. Son mari et elle prévoyaient, avant leur séparation, d'aller vivre à New York, car ils ne souhaitaient plus élever leurs enfants à Malibu et Los Angeles .
Le 15 octobre 2008, Téa et son mari David Duchovny confirment qu'ils se séparent après onze ans de mariage.