Secondogenito del granduca Ferdinando III (1769-1824), seguì il padre in Germania quando la Toscana fu occupata dai Francesi. Nel 1814 rientrò a Firenze e nel 1824 succedette al padre continuandone la politica e intraprendendo vaste opere di pubblica utilità. Promosse, nel 1828, i lavori di bonifica della Maremma, ampliò la rete stradale della Toscana, sostenne la costruzione di linee ferroviarie e cercò di rilanciare l'industria siderurgica e le manifatture. Favorì lo svolgimento dei Congressi degli scienziati italiani di Pisa (1839) e di Firenze (1841); inaugurò la Tribuna di Galileo e fece ripubblicare le opere dello scienziato pisano. La sua politica liberale, che lo condusse a riformare la legge sulla libertà di stampa e a concedere nel 1847 la Costituzione, ebbe però una brusca svolta in coincidenza con i moti rivoluzionari che percorsero l'Italia nel 1848. Nel 1849 Leopoldo II abolì la Costituzione e seguì pedissequamente la politica di Vienna. Nel 1852 giunse a ristabilire la pena di morte per gli attentati contro il governo e la religione. Nel 1859, allo scoppiare della Seconda Guerra d'Indipendenza, una "rivoluzione" pacifica lo costrinse ad abdicare e ad andare in esilio in Austria. Morì a Roma, dove si era recato nel 1869.