Прошёл всю Великую Отечественную войну: в 14 лет, по окончании восьмилетки, поступил в Соловецкую школу юнг. По ее окончании служил рулевым миноносца «Карл Либкнехт» на Северном флоте, участвовал в проводке арктических конвоев. Именно на вахте рулевого старшины I-ой статьи Виталия Леонова 22 апреля 1945 года миноносцем была потоплена атаковавшая его подводная лодка U-286. Актёром стал случайно: во время увольнительной на берег на танцах познакомился с девушкой, а проводив её до дома, в гостях прочитал её матери стихотворение. Мама той девочки оказалась женой члена Военного совета флота, которая заметила талант в юноше, личным приказом командующего флота адмирала Головко был направлен служить в Театр Северного флота. Демобилизовался в звании старшины II статьи. В 1950-е пришлось уйти из театра (по одним данным - потерял голос, по другим - женился, и по-мужски решил обеспечить семью). Работал штурманом и помощником капитана на рыболовных и торговых судах. В 1965 году снова вернулся театр - служил в Русском театре в Самарканде, затем в Ташкенте, был внештатным актёром Театра-студии киноактёра - снимался в кино. Внешность Леонова не располагала к ролям первого плана, актёр играл в основном в комедиях или военных фильмах. Играл пьяниц, работяг, проходимцев, деревенских мужичков, разбойников, солдат - и советских, и немецких. Умер 29 марта 1993 года в Москве, похоронен на Востряковском кладбище Москвы.