Nacido en París, Luis Federico Leloir regresó con su familia a la Argentina cuando tenía dos años. Se graduó en Medicina en la Universidad de Buenos Aires (UBA) en 1932, e inició su carrera de investigador en el Instituto de Fisiología de la universidad bajo la supervisión del profesor Bernardo Alberto Houssay, investigando inicialmente el papel del metabolismo de los hidratos de carbono.
Trabajó en el laboratorio de bioquímica de la Universidad de Cambridge, en el Reino Unido, en 1936 y, posteriormente, en varias instituciones de los Estados Unidos.
De regreso en la Argentina en el año 1937, participó de la creación del Instituto de Investigaciones Bioquímicas, fundado en 1947, entidad que presidió durante cuarenta años. En ese período se dedicó a estudiar el proceso interno por el cual el hígado recibe glucosa y produce glucógeno, el material que el organismo usa para guardar energía.
A comienzos del año 1948, su equipo identificó los azúcares nucleótidos compuestos, que desempeñan un papel fundamental en el metabolismo de los carbohidratos. Este descubrimiento convirtió al Instituto en un centro mundialmente reconocido. Dicho logro le valió a Leloir, en 1970, el Premio Nobel de Química. Otro descubrimiento relevante fue el de una glucoproteína, que es la causa determinante de la galactosemia, una enfermedad que mataba niños por la intolerancia a la lactosa.