Jules Fernand Henri Léger nasce ad Argentan, in Normandia, il 4 febbraio 1881. Dopo un periodo di apprendistato presso un architetto a Caen (1897-99), si trasferisce a Parigi nel 1900 guadagnandosi da vivere come disegnatore di architettura. Nonostante gli venga negata l'ammissione all'École des Beaux-Arts, ne frequenta ugualmente le lezioni. Studia inoltre all'Académie Julian. I suoi primi lavori, risalenti al 1905, rivelano una notevole influenza dell’Impressionismo, ma è soprattutto la retrospettiva di Paul Cézanne al Salon d'Automne del 1907 e il contatto con il primo Cubismo di Pablo Picasso e Georges Braque ad avere un impatto significativo nello sviluppo del suo stile. Nel 1910 Léger espone con Braque e Picasso alla Galleria di D. H. Kahnweiler, dove nel 1912 tiene la sua prima personale. Tra il 1911 e il 1914 la sua opera si evolve verso l'astrazione, con un cromatismo limitato all'uso dei colori primari e al bianco e nero.

Tra il 1914 e il 1917 è arruolato nell'esercito. Nel 1917 inizia il suo cosiddetto periodo "meccanico", nel quale figure ed oggetti sono caratterizzati da forme tubolari e geometriche. All'inizio degli anni venti collabora con lo scrittore Blaise Cendrars ad alcuni film e disegna scene e costumi per il Ballet suédois di Rolf de Maré. Nel 1923-24 lavora al suo primo film senza trama, Ballet mécanique. Nel 1924 apre un atelier con Amédée Ozenfant e nel 1925, all'Exposition Internationale des Arts Décoratifs, presenta le sue prime pitture murali al padiglione dell'Esprit Nouveau di Le Corbusier.

Nel 1931 visita per la prima volta gli Stati Uniti, dove nel 1935 il Museum of Modern Art di New York e l'Art Institute di Chicago gli dedicano delle mostre. Léger vive negli Stati Uniti dal 1940 al 1945, ma ritorna in Francia dopo la guerra dedicandosi, negli ultimi dieci anni di vita, a molteplici progetti, che comprendono l'illustrazione di libri, dipinti e murali dalle figure monumentali, vetrate, mosaici, sculture policrome di ceramica e disegni per scenografie e costumi teatrali. Nel 1955 vince il Gran Premio della Biennale di San Paolo. Léger muore il 17 agosto 1955 nella sua casa di Gif-sur-Yvette, Francia. Nel 1957 viene fondato a Biot il Musée National Fernand Lèger.