Alors que ses parents quittent le Chili en 1973 à cause du Coup d'Etat, Léonor Varela grandit successivement au Costa Rica puis aux Etats-Unis, avant d'arriver en France à l'âge de 14 ans. Elle entame des études de théâtre après son bac et décroche un premier téléfilm Pony trek en 1995. Elle obtient son premier rôle dans un film deux ans plus tard en jouant aux côtés d'Elodie Bouchez dans Le Ciel est à nous. Cette même année, elle tourne au Chili le téléfilm Inca de oro qui la pousse à vouloir entamer une carrière internationale.
Révélée en 1999 aux Etats-Unis pour son rôle de Cléopâtre sur petit écran, elle obtient ensuite plusieurs seconds rôles au cinéma, comme dans Le Tailleur de Panama et Blade II. En 2002, elle revient en France pour jouer la libre Angela dans Pas si grave de Bernard Rapp.
