Nascido em Paris, Luis Federico Leloir retornou com a família à Argentina quando tinha dois anos. Graduou-se em medicina pela Universidade de Buenos Aires (UBA) em 1932, e iniciou sua carreira de pesquisador no Instituto de Fisiologia da universidade sob a supervisão do professor Bernardo Alberto Houssay, investigando inicialmente o papel do metabolismo dos hidratos de carbono.
Trabalhou no laboratório de bioquímica da Universidade de Cambridge, no Reino Unido, em 1936, e, posteriormente, em várias instituições dos Estados Unidos.
Retornando à Argentina, em 1937, participou da criação do Instituto de Investigações Bioquímicas, fundado em 1947, o qual presidiu por quarenta anos. Nesse período, dedicou-se a estudar o processo interno no qual o fígado recebe glicose e produz glicogênio, o material que o organismo usa para guardar energia.
Em princípios de 1948, sua equipe identificou os açúcares nucleotídeos compostos, que desempenham um papel fundamental no metabolismo dos carboidratos, descoberta que fez do Instituto um centro mundialmente reconhecido. Essa conquista valeu a Leloir, em 1970, o Prêmio Nobel de Química. Outra descoberta relevante foi a de uma glicoproteína, que é a causa determinante da galactosemia, doença que matava crianças pela intolerância à lactose.