В 40-е годы работал с такими американскими мастерами, как Р. Уайз, У. Уайлер, Ф. Циннеман. Выступал на сценарном поприще, работая в области жанрового кино, главным образом исторических и мифологических боевиков.
Начал работу в кинематографе как ассистент режиссера.
В качестве режиссера дебютировал постановкой фильма Колосс Родосский (Il Coloso Di Roda, 1961), действие которого развертывалось в Древней Греции.
Серджио Леоне собирался снять фильм посвященный блокаде Ленинграда. В основу сюжета картины должна была лечь история американского оператора, который приезжает в Ленинград перед самым началом осады, влюбляется в русскую девушку и остается в осажденном городе. Фильм должен был выйти под названием «900 дней Ленинграда». Однако, в связи со смертью режиссера этим планам так и не суждено было сбыться.
Его отец Винченцо Леоне был режиссёром (снимал фильмы под псевдонимом Роберто Роберти), мать Биче Валериан — актрисой.