Элизабет Теа Панталеони (а это ее полное имя!) родилась 25 февраля 1966 года в Нью-Йорке. Ее отец, Энтони Панталеони, был корпоративным юристом, а мать, Эмили Энн (Паттерсон), работала диетологом и диетологом. Она итальянского (от прапрадеда по отцовской линии), польского, английского, ирландского, шотландского и немецкого происхождения. Теа училась в колледже Сары Лоуренс, но не закончила его.
Она начала сниматься в роли Лизы ДиНаполи в Санта-Барбаре (1984) в 1989 году, а затем сыграла небольшие роли в Switch (1991) и A League of Their Own (1992).
В 1994 году она появилась в фильме «Уайатт Эрп» (1994) как партнерша Кевина Костнера. В 1995 году она снялась вместе с Уиллом Смитом и Мартином Лоуренсом в популярном фильме «Плохие парни» (1995).
После этого она снялась во многих успешных фильмах, таких как «Не будите спящую собаку» (1996), «Столкновение с бездной» (1998), «Семьянин» (2000), «Испанский английский» (2004), «Город-призрак» (2008), «Аферисты Дик и Джейн», где ее партнером был Джим Кэрри.
С 1991 по 1995 год она была замужем за телевизионным коммерческим продюсером Нилом Джозефом Тардио-младшим. В 1997 году она вышла замуж за актера Дэвида Духовны, с которым у нее двое детей: дочь Уэст Духовны (родилась 24 апреля 1999 года) и сын Кид Миллер Духовны (родился 15 июня 2002 года).
Ее бабушкой по отцовской линии была Хеленка Адамовская, дочь польских музыкантов Юзефа Адамовского и Антонины Шумановской. Ее бабушка была племянницей по браку композитора и политика Игнация Яна Падеревского. Хеленка была среди тех, кто помог основать ЮНИСЕФ в 1947 году и возглавляла эту организацию на протяжении 25 лет. Теа Леони стала послом доброй воли ЮНИСЕФ в 2001 году.
Рассматривалась на роль Рэйчел в сериале «Друзья» (1994) .
Ее муж Дэвид Духовны назвал ее своей подсказкой «Звонок другу», когда появился в шоу «Кто хочет стать миллионером» (1999). Когда она не могла предложить ему никакой помощи в отношении этого вопроса, она просто сказала ему: «Ты облажался, милый».
