D'abord enseignante, Léa Pool s'intéresse rapidement aux métiers du cinéma. En 1978, elle quitte la Suisse pour le Québec, où elle réalise un court documentaire intitulé Laurent Lamerre, portier. Un an plus tard, elle écrit, réalise et produit un premier long-métrage de fiction : Strass café. Ce film tourné en noir et blanc est primé dans plusieurs festivals, dont celui de Sceaux en France (1981).
A l'aise dans le cinéma intimiste, Léa Pool prend l'habitude de mettre en scène des personnages féminins de caractère comme dans La Femme de l'hôtel (1984), Anne Trister (1986) et Emporte-moi (1999) avec Pascale Bussières. En 2001, elle tourne son premier film en anglais, intitulé Rebelles et dans lequel trois adolescentes (Piper Perabo, Jessica Paré et Mischa Barton) s'éveillent à la sexualité.
Après avoir fait de William Hurt un entomologiste partant à la recherche d'un papillon très rare ayant un légendaire pouvoir de guérison (Le Papillon bleu, 2004), Léa Pool revient en 2008 avec Maman est chez le coiffeur, un drame dont l'action se déroule pendant l'été 1966 avec Céline Bonnier. Elle retrouve en 2015 la comédienne avec La Passion d'Augustine, est un film se déroulant lui aussi dans les années 1960 et qui traite d'un sujet qui tient à particulièrement à coeur à la cinéaste puisqu'il s'agit de l'émancipation féminine.
Entre temps, Léa Pool revient au genre du documentaire avec Pink Ribbons, Inc. centré sur l'organisation Pink Ribbons qui lutte contre le cancer du sein aux Etats-Unis.