Sergio Leone sündis 1929. aastal Roomas. Ta oli juba sünnist saati kinoga seotud, nimelt oli tema isa Roberto Roberti, Itaalia kino üks teerajajatest, ema näitlejanna Bice Valerian. Hilises teismeeas töötas ta ameerika ja itaalia režissööride assistendina.
1950-ndate lõpus alustas ta käsikirjade kirjutamisega ning filmide lavastamisega, kui võttis haigestunud režissöörilt üle filmi "The Last Days of Pompeii" juhtimise. Järgnesid "The Colossus of Rhodes" ja "Peotäis dollareid", viimane neist tõstis filmistaari staatusesse Clint Eastwoodi. Kaks järge, "Mõne dollari pärast veel" ja "Hea, halb ja inetu" osutusid veelgi edukamateks. 1968.aastal sai Leone teha kauaoodatud koostööd Henry Fonda ja Charles Bronsoninga filmis "Ükskord Metsikus Läänes".
1971. aastal lavastas ta vastumeelselt "A Fistful of Dynamite" ning ütles ära filmi "The Godfather" lavastamisest, et teha teoks oma unistuste projekt "Ükskord ammu Ameerikas".
Sergio Leone suri 1989. aastal südameataki tõttu.