Родился 9 июня 1640 года, воспитывался сначала у иезуитов для принятия духовного сана, но после смерти старшего брата, Фердинанда (1654), сделался наследником австрийских земель и был провозглашен королем венгерским и чешским. После смерти отца (1657) Леопольд I, несмотря на все интриги Людовика XIV, желавшего добиться императорской короны, был избран в германские императоры и коронован 18 июля 1658 года благодаря особенно содействию курфюрста Фридриха-Вильгельма Бранденбургского.
Он любил и поощрял занятия историей и естественными науками, покровительствовал музыкантам, будучи сам талантливым композитором-любителем, основал университеты в Инсбруке, Ольмюце и Бреслау; Леопольдовское общество естествоиспытателей сохраняет его имя. После смерти эрцгерцога Франца-Сигизмунда Тирольского (1665) Леопольд I приобрел графство Тироль и выкупил у Польши княжества Оппельн и Ратибор, заложенные ей Фердинандом III.
Нерешительный и склонный к депрессиям Леопольд I был искренним сторонником мира, но обстоятельства вовлекли его в многолетние войны.
Вместе с королем польским и курфюрстом бранденбургским он принимал участие в войне с Карлом Х шведским и его союзником, Георгом Ракоци семиградским. Вмешательство Турции в смуты Семиградья вовлекло венский двор в войну с Портой. В 1663 году турки ворвались в Венгрию, но были разбиты генералом Раймундом Монтекукколи в битве при Сентготтхарде (1664). Не воспользовавшись этой победой, император Вашварским перемирием закрепил за Портой Гроссвардейн и Нейгейзель.
Война вскоре возобновилась; протестантская национальная партия подняла мятеж (1678—1682), и призванные ею на помощь турки в 1683 году дошли до Вены, которую осаждали с 14 июля по 12 сентября. От разгрома Австрия была спасена лишь победой при Каленберге близ Вены (12 сентября 1683 года). Леопольд I перешел к наступательным действиям, увенчавшимся Карловицким миром.
Еще раньше, на прессбургском сейме, ему удалось закрепить за собой Венгрию.
Из войн его с Людовиком XIV первая (1672—1679) и вторая (1688—1697) были неудачны для Австрии.
Более счастлива для нее была третья война — война за испанское наследство, в которой битва при Гохштедте была последним блестящим триумфом Леопольда I, принужденного в то же время бороться с новым восстанием венгров (см. Ференц II Ракоци). Крайняя нетерпимость Леопольда I выразилась особенно в жестоком преследовании венгерских кальвинистов.
В 1666 году Леопольд I женился на испанской инфанте Маргарите Терезе (1651—1673), дочери короля Филиппа IV. Из шести детей выжила только одна дочь:
В 1673 году Леопольд женился на Клавдии Фелицитате, эрцгерцогине Австрийской (1653—1676). У них родились две дочери, умершие во младенчестве:
В 1676 году он женился третий раз на Элеоноре Нойбургской (1655—1720), дочери Филиппа Вильгельма Нойбургского, с которой имел десять детей, из которых выжили семеро: