leonardo est intéressé par le cinéma et tourne son premier rôle dans un film d'horreur Critters 3. Puis en 1993, il joue le rôle du beau-fils maltraité de Robert De Niro dans Blessures secrètes. Leonardo attire encore plus l'attention lors de son film suivant, Gilbert Grape, où il joue le rôle d'un attardé mental, volant la vedette à Johnny Depp. Il obtient pour ce film en 1994 une double nomination en tant que Meilleur second rôle aux Golden Globe Awards et aux Oscars.
Il s'illustre au cours de l'année 1995 dans divers films, tels que Rimbaud Verlaine dans lequel il joue le rôle du poète homosexuel Rimbaud, puis Basketball Diaries, adaptation du livre autobiographique du poète et musicien new-yorkais Jim Carroll où il incarne aux côtés de Mark Wahlberg et Juliette Lewis un jeune toxicomane. Il enchaine avec le western de Sam Raimi, Mort ou vif, au côté de Sharon Stone, Gene Hackman et Russell Crowe et enfin dans le drame familial Simples Secrets, ou il partage l'affiche avec Meryl Streep, Diane Keaton et Robert De Niro.
Malgré ses bonnes prestations, Leonardo DiCaprio n'accède à un statut de premier plan qu'en 1996 avec le Roméo + Juliette de Baz Luhrmann, adaptation déjantée et moderne de l'œuvre de William Shakespeare. Il enchaîne avec Celebrity de Woody Allen puis L'homme au masque de fer où il partage l'affiche avec une distribution impressionnante (John Malkovich, Jeremy Irons, Gérard Depardieu et Gabriel Byrne). Mais surtout, il acquiert un statut de "héros romantique", dans le film Titanic de James Cameron où il joue l'amant de Rose, interprétée par Kate Winslet. Le film connaît un succès planétaire qui propulse DiCaprio au rang de star mondiale.
Il maintient ce statut avec le film de Danny Boyle, La Plage, en 2000, bien que son personnage soit ici un antihéros. Son image change avec ses films suivants : il joue un escroc face à Tom Hanks dans Arrête-moi si tu peux de Steven Spielberg, puis tourne trois films de suite sous la direction de Martin Scorsese : Gangs of New York (2002) face à Daniel Day Lewis, Cameron Diaz et Liam Neeson, Aviator (2005) ou son interprétation du célebre Howard Hughes lui vaut le Golden Globe du meilleur acteur dans un film dramatique, puis Les Infiltrés, où il joue un agent de la police d'Etat de Boston, infiltré dans la mafia irlandaise, au côté de Matt Damon, Jack Nicholson et Mark Wahlberg. C'est grâce à ce film que Martin Scorsese gagne pour la première fois l'oscar du meilleur réalisateur et du meilleur film en 2006. L'année suivante sort Blood Diamond d'Edward Zwick, où Dicaprio interprète un trafiquant de diamants rhodésien (actuellement Zimbabwe), en Sierra Leone, dénonçant ainsi le trafic des diamants de sang.
Dix ans après Titanic, Leonardo DiCaprio retrouve Kate Winslet et Kathy Bates dans Les Noces rebelles de Sam Mendes. En 2008, l'acteur tourne Mensonges d'État dirigé par Ridley Scott, dans un film d'espionnage et d'action qui se déroule au Moyen Orient et où il partage la vedette avec Russell Crowe qu'il avait déjà croisé sur le tournage de Mort ou vif en 1995, avant que les deux acteurs n'atteignent la notoriété.
La collaboration de Leonardo DiCaprio avec Martin Scorsese se poursuit une quatrième fois avec le thriller Shutter Island, adapté du roman de Dennis Lehane, sorti dans les salles au début de l'année 2010. Il enchaîne avec le tournage de Inception de Christopher Nolan, au côté de Marion Cotillard, Joseph Gordon-Levitt, Ellen Page, Ken Watanabe, Tom Hardy, Cillian Murphy et Michael Caine. Ce polar de science-fiction à gros budget (160 millions de dollars d'après Box Office Mojo) traite de l'architecture des rêves et de la manipulation de l'esprit et est sorti durant l'été 2010.
Après avoir incarné J. Edgar Hoover, le fondateur du F.B.I, sous la direction du réalisateur Clint Eastwood, le film est actuellement en cours de montage et sortira dans le courant de l'année 2012, il vient de retrouver en Australie le réalisateur Baz Luhrmann, quinze ans après Roméo + Juliette, pour le rôle titre de son nouveau film, Gatsby le Magnifique, nouvelle adaptation en 3D du roman de Francis Scott Fitzgerald, ou il partagera l'affiche avec son ami d'enfance Tobey Maguire et la comédienne Carey Mulligan. On devrait ensuite le voir incarner un propriétaire terrien sadique dans le prochain film de Quentin Tarantino, Django Unchained, un western spaghetti sur fond d'esclavagisme aux côtés de Jamie Foxx, Christoph Waltz, Samuel L. Jackson et Kevin Costner.
Il a récemment racheté à Tom Cruise les droits d'adaptation audiovisuelle du roman Le diable dans la ville blanche d'Erik Larson. Il devrait y tenir le rôle principal en incarnant le Docteur H.H. Holmes, le premier tueur en série de l'Histoire des États-Unis qui sévit durant l'exposition universelle de Chicago en 18932.
Leonardo DiCaprio peut s'enorgueillir d'avoir joué avec les plus grands acteurs (Robert De Niro, Johnny Depp, Gene Hackman, Meryl Streep, Kate Winslet, Gérard Depardieu, John Malkovich, Jeremy Irons, Daniel Day-Lewis, Tom Hanks, Christopher Walken, Jack Nicholson, Russell Crowe, Michael Caine, Marion Cotillard…) et sous la direction des plus grands réalisateurs (Martin Scorsese, Steven Spielberg, James Cameron, Woody Allen, Ridley Scott, Clint Eastwood, Quentin Tarantino, Baz Luhrmann, Christopher Nolan, Sam Raimi, Danny Boyle, Sam Mendes…).

En 1998, DiCaprio et sa mère donnent 35 000 dollars pour créer une association de défense de l'environnement et reconstruire une bibliothèque détruite par un incident climatique.
En 2004, il soutient financièrement la campagne présidentielle du démocrate John Kerry.
Durant le tournage de Blood Diamond, DiCaprio travaille avec vingt-quatre enfants du village de SOS Children's Village in Maputo, au Mozambique, et se déclare très touché par ce travail avec des enfants.
DiCaprio conduit une voiture écologique et a équipé sa maison en panneaux solaires3.
Lors d'une interview au magazine Ukula, à propos du film La 11e heure, le dernier virage (qu'il a co-écrit, co-produit et dont il est le narrateur), il présente la lutte contre le réchauffement climatique comme le challenge numéro un dans la défense de l'environnement.
Nommé aux Oscars 2007 comme l'ancien vice-président Al Gore, il est monté sur scène avec le futur Prix Nobel de la paix afin de préciser que la cérémonie des Oscars avait incorporé des pratiques intelligentes pour la défense de l'environnement dans la préparation et la production de la cérémonie. Les deux hommes ont réaffirmé leur volonté de défendre l'environnement.
Le 6 juin 2007, Leonardo DiCaprio est présent à la cérémonie The American leg of Life Earth visant à promouvoir la défense de l'environnement.
Il fut invité par le parlement écossais pour expliquer l'action de sa fondation pour la défense de l'environnement, afin de sensibiliser aux problèmes que cause le réchauffement climatique. L'argent qu'il toucha pour cette intervention fut reversé à son association.
En 2008, il donne 400 000 dollars pour la campagne présidentielle de Barack Obama.
L'acteur a également acheté, pour treize millions d'euros, quarante-deux hectares de terres dans l'île de Blackadore Caye, au Belize, sur lesquelles il construira, à côté d'un ecolodge de luxe, une piste d'atterrissage pour jets privés et d'autres aménagements pour un montant4 de plus de 25 millions d'euros. Toutes ces actions lui ont valu plusieurs prix de la part de groupes de défense de l'environnement et ont inspiré d'autres stars du cinéma comme Orlando Bloom et Penélope Cruz.
L'acteur a versé un million de dollars au Fonds Clinton-Bush pour Haïti en faveur des victimes du tremblement de terre d'Haïti de 20105

Il a eu pour compagne officielle la mannequin brésilienne Gisele Bündchen pendant cinq ans puis il a fréquenté une autre top model, Bar Refaeli pendant plus de cinq ans. Il est actuellement en couple avec l'actrice Blake Lively6,7. Sa meilleure amie est Kate Winslet, avec qui il a tenu les rôles principaux dans Titanic et dans Les Noces rebelles.