Леонор появилась на свет в семье испанца и британки. Отец Leonor Watling умер, когда она была подростком. В детстве Уотлинг мечтала о карьере танцовщицы, но травма колена не позволила осуществить задуманное. Позднее Leonor Watling переехала в Лондон, чтобы изучать актерское мастерство в «Actor's Center».
Уотлинг начала актерскую карьеру в театре и дебютировала на большом экране в возрасте 15 лет, сыграв в картине «Jardines colgantes» («Висячие сады») режиссера Пабло Ллорки. После этого актриса приняла участие в нескольких телевизионных сериалах, среди которых - «Hermanos de leche» и «Farmacia de guardia or Querido maestro». Однако подлинную славу ей принесла работа в многосерийном проекте «Raquel busca su sitio».
В 1998 году актриса была номинирована на испанскую премию «Goya Awards» за роль Кармен в фильме Антонио Мерсеро «La hora de los valientes» («Час храбрецов»). В 2002 году девушка получила еще одну номинацию на «Goya Awards», на этот раз за работу в фильме «A mi madre le gustan las mujeres» («Моя мама любит женщин»).
В том же году артистка сыграла в шедевре Педро Альмодовара «Hable con ella» («Поговори с ней»). Лента собрала в мировом прокате $51 001 550 при бюджете $9 285 469 и получила премию «Оскар» в категории «Лучший оригинальный сценарий».
Позднее фильмография Леонор Уотлинг пополнилась ролями в таких лентах, как «Deseo» («Желание»), «My Life Without Me» («Моя жизнь без меня»), «Mauvais esprit» («Плохое настроение») и «Crónicas» («Хроники»). В 2005 году Леонор Уотлинг снялась в драме Изабель Койшет «The Secret Life of Words» («Тайная жизнь слов») вместе с Тимом Роббинсом. В том же году она дублировала Энн Хэттавэй в мультипликационном фильме «Hoodwinked!» («Правдивая история красной шапки»). В 2006 году Леонор Уотлинг отметилась участием в приключенческом фильме Висенте Аранда «Tirante el Blanco» («Византийская принцесса»), киноальманахе «Paris, je t'aime» («Париж, я люблю тебя») и драме Мануэля Хуергы «Salvador (Puig Antich)» («Сальвадор»). В 2008 году артистка сыграла в триллере Алекса де ла Иглесиа «The Oxford Murders» («Убийства в Оксфорде») с Элайджей Вудом. В 2010 году на экраны вышла биографическая драма Андруча Уэддингтона «Lope» («Лопе де Вега: Распутник и соблазнитель») с Леонор в роли Изабель.
