Fort de son apprentissage, il obtient son premier rôle à la télévision en 1986. Il a un petit rôle dansMy Two Love. La même année, on le voit aussi dans le filmLe Projet Manhattan, un film descience-fiction.
Il continue ainsi, de petits rôles en petits rôles, passant deBluffing it en1987, toujours à la télévision, àMy Best Friend Is a Vampire(en), en1988. C'est finalement l'année suivante, en1989, qu'il obtient l'un de ses rôles les plus marquants, celui de Neil Perry Robert dans le film oscariséLe Cercle des poètes disparus, où il joue aux côtés deRobin Williams etEthan Hawke. Ce dernier demeure d'ailleurs l'un de ses meilleurs amis.
Dans la foulée, il enchaîne surSwing Kids, toujours la même année, et donne la réplique àChristian Bale etKenneth Branagh, déjà rencontré sur le tournage deBeaucoup de bruit pour rien.
Sa carrière dans le cinéma s'étant peu à peu éteinte, Robert Sean Leonard décide de se tourner vers la télé. Après quelques rôles et apparitions dansAu-delà du réel : L'aventure continue,Wasteland, les filmsTape,A Glimpse of Hell(en) etDriven, Robert Sean trouve finalement le rôle de sa vie.
Il est ainsi le premier acteur à avoir intégré la distribution de la série culteDr House. Il y incarneJames Wilson, chef du service d'oncologie, et meilleur ami duDrGregory House. Ou plutôt la seule personne que Gregory House considère comme son ami. Face au caractère cynique de House, Wilson apparaît comme un être plus humain et généreux, qui tente jour après jour d'insuffler un peu à House de sa bonhomie, sans vrai succès. Les deux personnalités quasi-complémentaires vont s'apporter des traits de caractères mutuellement : on verra donc James Wilson gagner en assurance et en franchise, voire en cynisme, à l'image de son meilleur ami de la série. À noter que dans la vie, Robert Sean Leonard etHugh Laurie, qui incarne Gregory House, sont de bons amis.
Robert Sean Leonard s'est marié en août2008 avec Gabriella Salick. Leur fille Eleanor Blanche Leonard est née le. Il a une seconde fille, Claudia, née en 2012.
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