Léger wurde am 4. Februar 1881 in Argentan (Normandie) als Sohn eines Viehzüchters geboren. Von 1897 bis 1899 ging er in Caen bei einem Architekten in die Lehre. Im Jahr 1900 übersiedelte er nach Paris, wo er seinen Lebensunterhalt als Zeichner bei einem Architekten verdiente. Obwohl ihm die Aufnahme an der Ecole des Beaux-Arts verweigert wurde, nahm er an deren Lehrveranstaltungen teil und studierte an der Académie Julian. Wichtig für die Entwicklung eines eigenen Stils wurde die Begegnung mit den Werken Cézannes in dessen Retrospektive im Salon d’Automne von 1907 und die mit dem frühen Kubismus Picassos und Braques. 1910 stellte er zusammen mit Picasso und Braque in der Galerie Henry Kahnweiler in Paris aus, wo 1912 auch seine erste Einzelausstellung stattfand.

Nach dem Ersten Weltkrieg begann Léger, seiner Malerei Motive der industriellen Arbeitswelt und der Mechanik einzuarbeiten. Er wurde zur Symbolfigur des Esprit Nouveau, so der programmatische Titel einer Zeitschrift, die von den sogenannten Puristen, unter ihnen Amédée Ozenfant und Charles-Edouard Jeanneret (der später unter dem Pseudonym Le Corbusier als Architekt weltberühmt wurde) herausgegeben wurde. Léger schloß sich ihnen ab 1920 an. In der Zeit zwischen den Kriegen entwickelte Léger nicht nur umfangreiche künstlerische Aktivitäten - neben seiner Malerei arbeitete er an Filmprojekten und entwarf Bühnenbilder und Kostüme -, sondern auch ausgeprägte Reise- und Vortragstätigkeiten, besonders in den USA, wohin er schließlich 1940 emigrierte. Bereits 1945 kehrte er nach Frankreich zurück; 1952 übersiedelte er gemeinsam mit seiner zweiten Frau von Paris nach Gif-sur-Yvette, wo er am 17. August 1955 starb.