Теа Панталеони родилась в семье диетолога Эмили Паттерсон и юриста Энтони Панталеони. Мать Леони — уроженка Техаса, англо-саксонского происхождения, а у её отца смешанные итальянские и польские корни.
Теа — внучатая племянница актёра Хэнка Паттерсона, известного в основном по ролям в вестернах, а её бабушка по отцу — общественный деятель и актриса Хеленка Панталеони, дочь известного виолончелиста Джозефа Адамовского и пианистки Антонины Шумовской, приходившихся, помимо прочего, друзьями и родственниками пианисту и политику Игнацию Падеревскому.
Прадед Леони по отцу был братом известного итальянского политика и экономиста Маффео Панталеони.

В 1984 году Леони окончила школу Putney High School в штате Вермонт. Она начала изучать антропологию и психологию в колледже Сары Лоренс, но прервала обучение, чтобы отправиться путешествовать. Теа жила в Токио, Италии и Сен-Круа.
После её возвращения в США в 1988 году Леони утвердили на роль в ремейке сериала «Ангелы Чарли». Отснятому материалу не суждено было попасть в эфир из-за забастовки в Голливуде, но Теа решила выбрать актёрство своей профессией и поселилась в Лос-Анджелесе.

Первое появление Теа на экране состоялось в известном телесериале «Санта-Барбара», где она временно исполняла роль Лизы ДиНаполи.
Леони стала настоящей звездой после выхода на экраны фильма «Плохие парни» (1995), с участием Уилла Смита и Мартина Лоуренса. Также коммерчески успешным стал фильм «Столкновение с бездной» (1998), в котором она сыграла тележурналистку Дженни Лернер. После этой роли именем Леони был назван астероид № 8299. Также Теа продолжала сниматься на телевидении. В 1992 году она получила роль в сериале телеканала FOX «Слепой полет», в 1995 — в комедии «Голая правда», где играла скандальную журналистку Нору Уайлд до закрытия сериала в 1998.
В 2000 году за роль в фильме «Семьянин» c Николасом Кейджем Леони была отмечена премией «Сатурн» в категории «Лучшая актриса». В 2001 году Теа появилась в очередном продолжении киносериала о динозаврах, фильме «Парк юрского периода 3», вместе с Уильямом Мейси и Сэмом Ниллом.
Среди её других известных работ «Голливудский финал» (2002) режиссёра Вуди Аллена и две комедии: «Испанский английский» (2004) с Адамом Сендлером и «Аферисты: Дик и Джейн развлекаются» (2005) с Джимом Керри.
В 2005 году ей досталась главная роль в режиссёрской работе её мужа, Дэвида Духовны, драме «Тайны прошлого», а в 2007 — в триллере «Убей меня» с Беном Кингсли.

Теа Леони - убежденная вегетарианка.