Уроженец Рязанской области (с. Алмазово) окончил в своё время МГИМО, в совершенстве владел испанским. С 1958 года служил в разведке, работал переводчиком на переговорах Хрущёва с Че Геварой, Фиделем и Раулем Кастро. На снимках тех лет Николай Сергеевич неоднократно запечатлён рядом с известными политиками.
Леонов был блестящим аналитиком, обладал энциклопедичными знаниями, внёс весомый вклад в урегулирование Карибского кризиса в 1962 году. Во внешней разведке вначале курировал латиноамериканское направление, затем на протяжение 12 лет возглавлял аналитическое Управление. После выхода в отставку в 1991 году признавался, что распад СССР пережил очень тяжело, оставаясь приверженцем социалистического строя до конца жизни.
Генерал-лейтенант оставил богатое литературное наследие. Помимо сотен научных и аналитических статей, написал несколько книг, в частности, роман «Лихолетье». До последних дней Леонов сохранял ясный и острый ум, поражая оппонентов в политических телевизионных дебатах скоростью и точностью ответов и формулировок. Постоянная работа мозга позволила бывшему разведчику прожить полноценную, долгую, достойную жизнь.