Николай Сергеевич Леонов родился 22 августа 1928 года в д.Алмазово Рязанской области в крестьянской семье. С 1931 по 1934 год воспитывался у тетки в Москве. В 1934-1938 году снова жил в родной деревне, где закончил начальную школу.
С 1938 года жил и учился в школе в г.Электросталь Московской области.
В 1947 году окончил среднюю школу с золотой медалью и поступил в МГИМО, после окончания которого в 1952 году был направлен на работу в Издательство иностранной литературы. Работал переводчиком испанского языка.
В апреле 1953 года был направлен в Мексику для углубления знаний испанского языка. Поступил на учебу в Мексиканский университет на филологический факультет.
По дороге в Мексику познакомился с кубинским революционером Р.Кастро, а в 1956 году — с Э.Че Геварой. За знакомство с аргентинским революционером был выслан из Мексики в том же году.
С 1956 по 1958 год вновь работал в Издательстве иностранной литературы. Одновременно учился в заочной аспирантуре Института истории АН СССР по курсу истории Латинской Америки. В 1958 году был рекомендован во внешнюю разведку и принят в 101-ю школу КГБ, готовившую разведывательные кадры.
В октябре 1959 года, во время учебы в разведшколе, был направлен с миссией заместителя Председателя Совета министров СССР А.И.Микояном в Мексику на открытие советской выставки. По просьбе кубинского руководства эта выставка была переведена на Кубу.
В 1960 году вместе с А.Микояном находился в этой стране для установления контактов с революционным руководством. Успешно справился с поставленной задачей.
В 1960-1961 годах работал в центральном аппарате разведки.
С 1961 по 1968 год находился в долгосрочной служебной командировке в Мексике под прикрытием 3-го секретаря посольства, характеризовался положительно. Привлекался для работы с Ф.Кастро и другими кубинскими руководителями в качестве переводчика.
В конце 1968 года назначен на должность заместителя начальника отдела. Во время работы в Центре выезжал в краткосрочные загранкомандировки в Перу, Панаму, Никарагуа, Афганистан, другие страны. Выполнял ответственные поручения руководства разведки.
В 1971 году был назначен на должность заместителя начальника информационно-аналитического управления внешней разведки, на которой проработал 12 лет.
В сентябре 1983 года был повышен в должности до заместителя начальника разведки. На этом посту работал до 1990 года.
В 1990-1991 годах являлся начальником аналитического управления КГБ СССР. Генерал-лейтенант, доктор наук.
С 1991 года находится в отставке.
Автор Книги "Лихолетье", вышедшей в 1994 году.
За многолетнюю безупречную службу и достигнутые результаты награжден орденом Октябрьской Революции, двумя орденами Трудового Красного Знамени, орденом Красной Звезды и многими медалями, а также нагрудными знаками "Почетный сотрудник госбезопасности" и "За службу в разведке". Его имя занесено на Доску почета Зала истории внешней разведки.
Скончался 27 апреля 2022 года.