Фамилия Леонов — одна из тех, что образована от редкого крестильного имени, но при этом прочно вошла в русский обиход. В её основе лежит имя Леон, которое восходит к латинскому «leo» — «лев». В греческом языке значение то же самое. Само имя Леон в России было нечастым и со временем почти вышло из употребления, однако оно не исчезло бесследно: с ним смешались краткие формы от других канонических имён — Леонтий («львиный») и Леонид («подобный льву»). Поэтому, разбирая фамилию Леонов, мы почти всегда имеем дело не с одним источником, а с несколькими, близкими по смыслу.

Словообразовательная модель здесь простейшая и самая массовая для русских фамилий: суффикс -ов добавляется к основе имени, указывая на принадлежность («сын Леона»). Потомок человека, которого звали Леон (или Леонтий, или Леонид в обиходной форме), со временем получал фамилию Леонов.

У имени Леон есть и свой небесный покровитель — святой Леон Тавматург, родом из итальянской Равенны. Он стал епископом в сицилийском городе Катания и прославился чудотворением. Сами императоры Леон IV и Константин VI призывали его в Константинополь и просили молитв. День памяти святого Леона приходится на 20 февраля.

В истории России известны несколько дворянских родов Леоновых. Один из них внесён во II часть Родословной книги Черниговского дворянства, другой записан по Черниговской губернии. Есть сведения и о донском дворянском роде. Среди известных носителей фамилии — советский писатель Леонид Максимович Леонов (1899—1994), актёр Евгений Павлович Леонов (1926—1994), запомнившийся по фильмам «Полосатый рейс», «Тридцать три», «Белорусский вокзал» и «Джентльмены удачи», а также космонавт Алексей Архипович Леонов, дважды Герой Советского Союза. Встречается фамилия и в региональных документах: так, в Орловской области записан Леонов Роман Гаврилович 1908 года рождения из села Плоское, а в Книге памяти Республики Коми упомянута Леонова Станислава Станиславовна 1923 года рождения, проживавшая в Белорусской ССР.