Leo dilahirkan di Manhattan dan dibesarkan di Lower East Side.[1] Beliau ialah anak perempuan Margaret (née Chessington), seorang guru California dan Arnold Leo III, seorang penyunting di Grove Press, nelayan, dan bekas jurubicara Persatuan Bayi Timur Hampton. Beliau mempunyai seorang saudara lelaki, Erik Leo.[2] Ibu saudaranya ialah ahli sejarah seni Christine Leo Roussel. [3] Ibu bapa Leo bercerai, dan ibunya berpindah ke Komuniti Merah Clover, di Putney, Vermont.

Leo mula aktif dalam seni persembahan semasa kecil dengan Syarikat Teater Bread and Puppet. Beliau menghadiri Bellows Falls High School di Bellows Falls, Vermont, dan mempelajari ilmu lakonan di Mountview Academy of Theatre Arts di London dan SUNY Purchase, tetapi tidak lulus, memilih meninggalkan sekolah dan berpindah ke New York City untuk memulakan uji bakat lakonan.[4][5][6][7] Leo menghabiskan musim panas di rumah bapanya di Springs, sebuah bahagian di East Hampton, New York.[1]