Né le 3 janvier 1929 à Rome, fils du metteur en scène italien Roberto Roberti et de l'actrice Bice Valerian, Sergio Leone était, comme qui dirait, prédestiné au cinéma. Il débute dans le milieu en tant qu'assistant, aussi bien de cinéastes italiens (Le Voleur de bicyclette de Vittorio De Sica, 1949) que de cinéastes américains tournant en Italie (Quo Vadis de Mervyn LeRoy, 1951 ; Ben-Hur de William Wyler, 1960). C'est vers la fin des années 50 qu'il commence à écrire ses premiers scénarios, puis remplace le réalisateur Mario Bonnard sur le tournage de Les Derniers Jours de Pompei (1959), au générique duquel il sera crédité comme co-réalisateur.

Suite au succès de cette aventure, il se voit confier la réalisation d'un peplum, Le Colosse de Rhodes (1961). Après avoir dirigé la seconde équipe du film de Robert Aldrich, Sodome et Gomorrhe (1961), et face au déclin progressif du western américain, le cinéaste italien s'approprie ce genre en accouchant d'un remake du film Le Garde du corps d'Akira Kurosawa : Pour une poignée de dollars (1964), qu'il réalise sous le pseudonyme de Bob Robertson. Par ce deuxième long-métrage, Leone s'impose comme le chantre d'un style nouveau, celui du western "spaghetti". Le cinéaste s'evertue en effet à briser les codes du western traditionnel, en en parodiant les situations typiques, en privilégiant la lenteur et en étirant les scènes à l'excès, en usant des gros plans (colts, visages, regards) comme s'il filmait des paysages... La naissance de ce style propre à Leone marque aussi la première collaboration du maître avec le décorateur Carlo Simi et le compositeur Ennio Morricone, qui signera la bande originale de tous ses autres films. En plus d'être un succès mondial, le film contribue à l'émergence d'une star américaine, Clint Eastwood, qui reprendra d'ailleurs le rôle du célèbre Homme sans nom dans les deux autres opus de la trilogie dite " des dollars ".

Dans Et pour quelques dollars de plus (1965), Leone paufine et approfondit ce qui faisait l'esprit et l'atmosphère de son premier western, et travaille avec des pointures comme les comédiens Lee Van Cleef et Gian Maria Volonte (que l'on avait déjà vu dans Pour une poignée de dollars). Le troisième volet de sa trilogie, Le Bon, la brute et le truand (1966), peut se voir comme l'affirmation pleine et entière de son style, auquel il adjoint une dimension historique. Clint Eastwood partage l'affiche avec Lee Van Cleef et Eli Wallach.

Malgré une certaine lassitude face aux westerns, Leone s'associe à la Paramount pour réaliser l'ambitieux Il était une fois dans l'Ouest (1968), véritable opéra moderne dans lequel le cinéaste convie des stars internationales comme Henry Fonda, Charles Bronson et Claudia Cardinale. Le film s'effondre au box-office américain, mais triomphe en France (14 millions d'entrées). Beaucoup le considèrent comme son chef d'oeuvre. Il était une fois dans l'Ouest, dont l'histoire fut co-signée par Bernardo Bertolucci et Dario Argento, est aussi l'oeuvre introductrice d'une seconde trilogie, consacrée à l'histoire de l'Amérique. Après trois années d'absence, Leone réalise péniblement Il était une fois la révolution (1971), avec Rod Steiger et James Coburn, film dans lequel il dépeint la révolution méxicaine et les massacres de 1913. Par ailleurs, il produit et participe à la réalisation de deux westerns spaghettis, Mon nom est Personne (1973) de Tonino Valerii et Un génie, deux associés, une cloche (1975) de Damiano Damiani, tous deux avec Terence Hill.

Après avoir décliné la réalisation du premier Le Parrain (1972), qui sera finalement confiée au jeune Francis Ford Coppola, le cinéaste italien se penche sur son propre projet de film de gangsters, Il était une fois en Amérique (1984). Leone mettra plus de dix ans à monter cette fresque new-yorkaise, qui s'étend des années 20 aux années 60, et dans laquelle on retrouve notamment Robert De Niro, James Woods et Joe Pesci.

Peu avant sa mort, qui survient le 30 avril 1989, le cinéaste avait développé un ultime scénario, construit autour du siège de Leningrad entre 1941 et 1944. En seulement six films, Leone a su imposer un style cinématographique personnel. Son oeuvre a exercé une influence fondamentale sur le cinéma contemporain, particulièrement chez les réalisateurs cinéphiles comme Quentin Tarantino.