La fratrie compte sept enfants, quatre filles puis trois garçons dont Philippe est l'aîné. Enfant, il est atteint de la
maladie de Bouillaud, ce qui est pour lui l'occasion de lire beaucoup en puisant dans la bibliothèque familiale. Il lit les poètes et il aime particulièrement Baudelaire, Lautréamont, Rimbaud, Cendrars... Il lit Victor Hugo, Flaubert... Élève d'hypokhâgne au lycée Henri-IV, en 1958-1959, Philippe Léotard n'intègre pas l'École normale supérieure mais il poursuit ses études à la Sorbonne où il obtient une licence de lettres. C'est là, dans le cadre de l'ATEP (association théâtrale des étudiants de Paris), qu'il rencontre
Ariane Mnouchkine avec qui il fonde le théâtre du Soleil en 1964. Parallèlement il est professeur de lettres et de philosophie au collège Sainte-Barbe. Il quitte le théâtre du Soleil et joue avec le Théâtre national populaire Les Anges meurtriers en 1970.
Puis, tout en continuant le théâtre, il s'oriente vers le cinéma grâce à
Claude Sautet et François Truffaut. Avoir 20 ans dans les Aurès de René Vautier marque son premier premier rôle. Il obtient le César du meilleur acteur en 1983 pour son rôle dans La Balance. Après
Tchao Pantin en 1983, il se fait plus rare au cinéma pour se consacrer à la chanson. Ses deux premiers albums à l'amour comme à la guerre et Philippe Léotard chante Léo Ferré, un an après la mort de Ferré, sont récompensés par le prix Charles-Cros. Il reçoit le Grand prix des poètes de la SACEM en 1997.
La drogue et l'alcoolisme ont beaucoup affecté cet artiste. Sa voix de plus en plus abîmée en portait les traces. En 1993, au Printemps de Bourges, alors que son frère est Ministre de la Défense, il se proclame ministre de la défonce. En 1995, il est condamné à 18 mois de prison avec sursis pour un trafic de cocaïne.
Il fut marié puis divorça de l'actrice Liliane Caulier (dont Frédéric, décorateur de cinéma, et Laetitia) et rencontre en 1972 l'actrice
Nathalie Baye avec qui il a une liaison jusqu'en 1981.
Il meurt le 25 août 2001 d'une insuffisance respiratoire. Philippe Léotard est enterré à Paris, au cimetière du Montparnasse (9e division). Il était père de trois enfants.
Dans un livre intitulé À mon frère qui n'est pas mort, François Léotard rend hommage à Philippe. Il évoque leur enfance, et dit son amour pour les femmes, l'alcool, la nuit. S'adressant à son frère qui était doué d'une grande imagination, aimait à raconter des histoires et se sentait capable d'incarner tous les rôles, François Léotard écrit : « ... faussaire au grand jour et tu l'étais un peu plus que d'autres, racontant la Légion où tu n'avais jamais mis les pieds, les aigles de notre grand-père qui volaient dans ta tête seule. »