Nacque da una danzatrice franco-americana, Margeret Petit, e dal farmacista Claude Caron. Mentre il fratello maggiore Aimery seguì le orme paterne (si specializzò come chimico), l'educazione di Leslie fu seguita dalla madre. A nove anni iniziò a studiare danza classica e a sedici anni faceva già parte del Ballet des Champs Elysées di Roland Petit, diventando prima ballerina in opere importanti come Le jeune homme et la mort di Jean Cocteau.
Cinema
Il famoso attore e ballerino statunitense Gene Kelly la vide a Parigi e la scelse per interpretare al suo fianco il musical Un americano a Parigi (1951) diretto da Vincente Minnelli. L'attrice inizialmente designata, Cyd Charisse, aveva dovuto rinunciare al ruolo a causa di una gravidanza. La lavorazione tuttavia non fu facile per la Caron che non parlava inglese e non aveva confidenza con la macchina da presa.
Leslie Caron si sposò tre volte: la prima nel 1951 con George Hormel II, nipote del fondatore della Hormel, una società di confezionamento della carne, dal quale divorziò nel 1954. Dal 1956 al 1965 fu sposata con Peter Hall, regista e direttore teatrale inglese e per lui trascurò la carriera. Nonostante la nascita di due figli, Christopher John Hall (produttore televisivo) e Jennifer Carol Hall (scrittrice), il matrimonio finì con un divorzio che fece epoca; il marito infatti, intentando la causa davanti ai giudici, indicò l'attore Warren Beatty corresponsabile della fine del matrimonio, tanto che quest'ultimo dovette anche pagare parte delle spese processuali. I due avevano infatti avuto una relazione alcuni anni prima. Il suo ultimo matrimonio con Michael Laughlin durò dal 1969 al 1980. Negli anni novanta ha gestito l'hotel-ristorante Auberge la Lucarne aux Chouettes a Villeneuve-sur-Yonne.
Nelle versioni in italiano delle opere in cui ha recitato, Leslie Caron è stata doppiata da:
Fiorella Betti in La casa del corvo, La strada dell'eternità, Storia di tre amori, La scarpetta di vetro, Papà Gambalunga, Gaby, Il dilemma del dottore, Gigi, La nostra vita comincia di notte
Maria Pia Di Meo in Le quattro verità, Una ragazza da sedurre, Parigi brucia?, La valle dei Comanches
Miranda Bonansea in Un americano a Parigi, Lili (dialoghi), Le Divorce - Americane a Parigi
Rita Savagnone in Il gran lupo chiama, Il padre di famiglia