Leighton inizia la sua carriera quando a 11 anni si trasferisce con la sua famiglia a New York, dove frequenta la "Professional Children's School". In quegli anni inizia a lavorare come modella e nel 1999 a soli 13 anni esordisce in tv in un episodio di 'Law & Order'.
A 14 anni si trasferisce a Los Angeles, in California e in pochissimo tempo appare in serie di successo come '24', 'Crossing Jordan', 'Entourage', 'Settimo Cielo' e 'Veronica Mars'.
Nel 2003, la giovane Meester debutta al cinema nel film indipendente "Hangman's Curse" tratto dall'omonimo libro di Frank Peretti.
Nel 2006 recita in "Flourish" al fianco di Jesse Spencer e Jennifer Morrison e inoltre appare nel drammatico "Inside".
Nello stesso periodo è protagonista dell'horror "Drive Thru".
Parallelamente alla carriera cinematografica prosegue anche quella televisiva, infatti appare in altre serie di successo come 'Dr. House', 'Shark' e 'CSI: Miami'.
Nel 2007 raggiunge la fama internazionale grazie al teen drama 'Gossip Girl', serie incentrata sulla vita di un gruppo di ragazzi ricchi dell'Upper East Side di New York, in cui interpreta il ruolo di Blair Waldorf, una delle protagoniste.
Torna sul grande schermo con "Remember the Daze" (2007) e "Killer Movie" (2008).
Per il 2009 lavora in "The Roommate" e "Date Night - Notte folle a Manhattan" con Steve Carell e Tina Fey.