Ирина Леонова родилась 22 августа 1978 года в Таллине. В 2000 году окончила Театральное училище имени М. С. Щепкина и была принята в труппу Малого театра.
После окончания средней школы Леонова отправляется в Москву и с первой попытки становится студенткой курса актерского мастерства, который в театральном училище имени Михаила Щепкина вел народный артист Советского Союза Виктор Коршунов.
В вузе Ирина Леонова обучалась до 2000 года, а затем вошла в труппу Малого театра. На этой знаменитой сцене молодая актриса исполняла разнообразные роли в классических спектаклях по пьесам Александра Островского, Уильяма Шекспира, Александра Грибоедова и многих других.
За роль Софьи в постановке «Горе от ума» Ирина получила главный приз на фестивале «Московские дебюты», а за спектакль «Правда - хорошо, а счастье – лучше» была удостоена Государственной премии России.
Ирина Леонова дебютировала в кино в 1999 году. Ее первой картиной стала историческая драма «Опять надо жить», в которой она снималась вместе с Галиной Польских и Львом Прыгуновым. Через два года она участвовала сразу в четырех кинофильмах – комедии «Яды, или Всемирная история отравлений», триллере «Дама в очках, с ружьём, в автомобиле», криминальной мелодраме «Люди и тени: Секреты кукольного театра» и юмористической ленте «Новогодние приключения».
Известность актрисе принесла роль Кристины в биографической мелодраме «Здравствуй, столица!», после которой Ирине Леоновой доставались главные роли в боевике «Звездочет», военной мелодраме о сталинском режиме «Дети Арбата» и легкой молодежной кинокомедии «Мечтать не вредно». К сожалению, из-за личной жизни Ирина после последней работы надолго ушла как из кинематографа, так и из театральной среды.
Лишь в 2014 году она кратковременно вернулась на съемочную площадку, чтобы поучаствовать в проекте, посвященном писателю Александру Куприну. Телесериал «Куприн» состоит из нескольких частей, каждая из которых является экранизацией очередного произведения знаменитого автора. Но идея такова, что герои одной повести спокойно переходят в другую историю. Так, Ирина Леонова в серии «Яма» играет Веру Николаевну Шеину, которая у Куприна фигурировала в литературном произведении «Гранатовый браслет».
В родном театральном училище Ирина Леонова познакомилась с молодым актером Игорем Петренко. В 2000 году она вышла за него замуж и прожила вместе с ним четыре года. Одной из версий их расставания называется отсутствие у супругов детей. Как бы то ни было, на съемках драмы «Дети Арбата» Ирина знакомится с известным актером Евгением Цыгановым, разводится с мужем и переезжает к новому избраннику.