Родился 30 января 1923 года в Амурской губернии, в городе Свободный. Спустя несколько месяцев после рождения мальчика отец перевез жену и трех детей в Читу, где устроился на работу в городское управление железной дороги. В этом городе они остались на семь лет, затем переехали в Иркутск, где Леонид, самый младший ребенок в семье, поступил в железнодорожную школу. В детстве он не отличался примерным поведением, зато активно участвовал в школьной самодеятельности, выступал с клубом железнодорожников, с удовольствием читал стихи.
В 1941 году Гайдай устроился рабочим сцены в Иркутский областной драматический театр. Он работал на всех спектаклях эвакуированного из столицы театра Сатиры. В феврале 1942-го молодого человека призвали в армию. Он окончил полковое училище и был назначен командиром отделения. На фронте он подорвался на противопехотной мине, был тяжело ранен и признан инвалидом 2-ой группы. Вернувшись в Иркутск в 1944 году, Леонид поступил в театральную студию. Начинающего актера быстро заметили: эффектной игрой на эпизодических ролях он затмевал главных персонажей. В 1949 году он поступил во ВГИК на режиссерский факультет, в мастерскую Григория Александрова. Молодой человек выгодно выделялся среди абитуриентов. Однако уже на первом курсе с ним произошел неприятный инцидент: из-за неудачной шутки он оказался на грани отчисления, и ему пришлось приложить немало усилий, чтобы остаться в университете.
Во время учебы Леонид встретил Нину Гребешкову, которая стала спутницей всей его жизни и исполнительницей множества ролей второго плана практически во всех картинах мужа. У пары родилась дочь Оксана.
Студентом Гайдай снялся в нескольких фильмах, но с середины 50-х полностью ушел в режиссуру. В 1956 году вышел его первый фильм, «Долгий путь», поставленный по сибирским рассказам В. Г. Короленко. Следующая лента, «Жених с того света», чуть не положила конец карьере Леонида: сатира на бюрократов была жестко раскритикована чиновниками. Следующий фильм, «Трижды воскресший», разительно отличался от всего творчества режиссера, а яркий патриотический настрой выглядел неестественно.
В 1961 году Гайдай снял 9-минутный фильм «Пес Барбос и необычный кросс», на который его вдохновил фельетон Степана Олейника в газете «Правда». Короткометражка имела оглушительный успех и породила на свет трех героев, которые потом еще не раз появлялись в картинах Гайдая и завоевали любовь зрителей. Образы Труса, Балбеса и Бывалого стали нарицательными и снова появились уже в следующей работе, «Самогонщики», затем перекочевали в трилогию «Операция «Ы» и другие приключения Шурика», лидер кинопроката в 1965 году, а позднее и в музыкальную комедию «Кавказская пленница, или Новые приключения Шурика». Еще одного «кочующего» персонажа, чудаковатого студента в очках, звали Владиком, но цензура углядела аналогию с Лениным, и на свет появился Шурик.
В 1968 году на экраны вышла картина, признанная лучшим фильмом Гайдая – криминальная комедия «Бриллиантовая рука». Главная роль создавалась специально под Юрия Никулина, а на роль Геши Козодоева вместо Георгий Вицина пригласили Андрея Миронова. К съемочной группе был приставлен сотрудник КГБ. Для того чтобы свести к минимуму вмешательство цензуры в сценарий, Гайдай прибегнул к хитрости: он запечатлел мощный ядерный взрыв на море, который никак не хотел вырезать из финальной версии. Когда проверяющая комиссия поинтересовалась значением эпизода, он представил взрыв как символ сложной международной обстановки и зла империализма. Представители Госкино согласились оставить фильм без существенных изменений при условии, что Гайдай исключит сцену со взрывом. Картина вошла в пятерку лучших фильмов советского кинопроката, а реплики героев немедленно разошлись на цитаты.
В 1971 году на экраны вышла его лучшая, по мнению режиссера, работа: экранизация романа Ильфа и Петрова «12 стульев». Самым сложным моментом оказались поиски исполнителя главной роли. В пробах участвовало более двадцати именитых актеров, но роль получил никому не известный Арчил Гомиашвили. В 1973 году свет увидела еще одна комедия, «Иван Васильевич меняет профессию», созданная по мотивам пьесы Михаила Булгакова. Здесь снова появился Шурик, но уже в амплуа инженера-изобретателя, работающего над созданием машины времени. В 1973 году картину посмотрели более 60 миллионов зрителей. Последней заметной работой Гайдая стала лента «На Дерибасовской хорошая погода, или на Брайтон-Бич опять идут дожди».
Леонид Гайдай умер в Москве 19 ноября 1993 года.
