Rómában született 1929. január 3-án filmes családban, apja rendező, anyja az olasz némafilmek sztárja volt. Apja ragaszkodott hozzá, hogy jogi tanulmányokat folytasson, a hollywoodi filmek iránt rajongó Sergio viszont ahhoz, hogy elsajátíthassa a filmrendezést és elérte, hogy párhuzamosan tanulhassa mindkettőt. A neorealista rendező, Vittorio de Sica asszisztense volt a Biciklitolvajok című film forgatásán, a filmben statisztált is, majd nemsokára félbehagyta jogi tanulmányait. 1951-ben a Cinecittában készülő Quo Vadis, 1959-ben a Ben Hur című szuperprodukciók forgatásán segédrendező volt, ugyancsak 1959-ben Mario Bonnard betegsége miatt ő fejezte be a Pompeji utolsó napjai című filmet, első önálló rendezése 1961-ben a Rodoszi kolosszus volt. A forgatókönyvírással is kísérletező Leonét rabul ejtette a japán Kuroszava Akira szamurájfilmje, A testőr, és elhatározta, hogy a történetet alacsony költségvetésű westernfilmre adaptálja. A Spanyolországban forgatott Egy maréknyi dollár ma már a műfaj klasszikusa, ezzel megszületett a cowboyfilmek olasz változata, az úgynevezett spagetti-western. Leone a biztonság kedvéért álnéven, Bob Robertsonként jegyezte a filmet, amelynek sok kritikus biztos bukást jósolt, mondván: nincs benne nő... Az élet rájuk cáfolt, a film a gyártási költség majdnem százszorosát hozta vissza.

Leone újragondolta a westernt, elvetette a megkövesedett műfaji elemeket, a táj és a szereplők idilli ábrázolását. A középpontba két család véres konfliktusát helyezte, és egy messziről érkezett titokzatos idegent, akinek a fegyverforgatásban nincs párja. A kamera közelről pásztázta az arcokat, az érces aláfestő zenét a rendező egykori osztálytársa, Ennio Morricone komponálta. Leone a főszerepre először Henry Fondát akarta felkérni, de az ő gázsiját nem tudta volna megfizetni, ezután Charles Bronsont vette számításba, ő azért mondott nemet, mert nem tetszett neki a forgatókönyv. Ezután ajánlották figyelmébe a Rawhide című televíziós westernsorozatban szereplő Clint Eastwoodot, akit kezdetben túl kifinomultnak tartott a szerepre, de nyomósabb érvként 15 ezer dollárért elvállalta a szerepet. Az amerikai színész végül mégis telitalálatnak bizonyult, Leone nemcsak a saját, de Eastwood karrierjét és megalapozta.

A sikeren felbuzdulva újabb filmet forgatott Pár dollárral többért címmel 1965-ben, a főszerepet természetesen ismét Eastwoodra osztotta, és az eredmény egy újabb kasszasiker lett. Következő filmje, a magasabb költségvetésű A Jó, a Rossz és a Csúf végképp a western nagymesterei közé emelte. A „dollár-trilógia” 1967-ben érkezett meg Amerikába, és itt is megismételte az öreg kontinensen aratott sikert. A Paramount Stúdió ezután bízta meg 1968-ban a rendezőt a Magyarországon is nagy sikerrel játszott Volt egyszer egy Vadnyugat elkészítésével. Ez lett Leone utolsó westernfilmje, egyben legismertebb alkotása, amelyben befejezte a hagyományos amerikai western demisztifikálását, a műfaj hagyományos hangsúlyainak átrendezését. A Charles Bronson, Henry Fonda, Jason Robards és Claudia Cardinale főszereplésével készült film forgatókönyvét Leone és barátja, Sergio Donati írta Bernardo Bertolucci és Dario Argento ötletéből. Morricone zenéje azóta is generációk sorában tudja felidézni ugyanazt a képet és érzést, amint Charles Bronson szájharmonikája visszhangzik a kopár sivatag felett, elektromos gitár rozsdás hangja felel rá, valahol a messzeségben szomorú szava egyre gyengül, legvégül elhallgat. Leone alkotása a filmtörténet egyik, ha nem legnagyszerűbb westernje. 

Pályafutásának következő szakaszában Leone újrateremtette az amerikai gengsztermítoszt, "amerikaibb" volt az eredetinél, miközben volt benne valami ironikus, szatirikus felhang. Utolsó filmje, a Volt egyszer egy Amerika Robert De Niro főszereplésével remek példája ennek. Leone csodálatos epikai érzékkel meséli el két New York-i fiú közel fél évszázadot felölelő történetét attól kezdve, ahogy három társukkal belevágnak a szeszcsempészetbe, egészen a – Leonénél kötelező – végső párbajig. Alkotásáért 1985-ben a legjobb rendező kategóriában Golden Globe-díjra jelölték. Érdekesség, hogy eredetileg őt kérték fel a Keresztapa című filmeposz rendezésére, de mivel visszautasította, a lehetőséggel Francis Ford Coppola élhetett. Leone tele volt ötletekkel és filmtervekkel, pedig súlyos szívproblémákkal küzdött. Többek között egy második világháborús filmet tervezett a leningrádi blokádról, de a munka már nem kezdődhetett el. 1989. április 30-án szívroham érte Rómában, két nappal azelőtt, hogy Los Angelesbe repült volna aláírni a filmszerződést. Az Entertainment Weekly minden idők legjobb filmrendezőinek listáján a 41. helyre sorolta, pedig mindössze 11 filmet rendezett.

A Volt egyszer egy Vadnyugat vetítése a tavalyi Budapesti Klasszikus Film Maratonon...

... ahol a film főszereplője, Claudia Cardinale tartott bevezetőt (fotó: Déri Miklós)