Angeregt durch seinen Onkel Friedrich Sigismund wandte er sich schon als Mittelschüler der Zoologie zu, sammelte systematisch Insekten, studierte in Göttingen ab 1841 Medizin, doktorierte 1845 mit einer preisgekrönten theratologischen (von Mißbildungen handelnden) Arbeit, die bemerkenswerte entwicklungsmechanische Fragestellungen enthält. 1855 habilitierte er sich für Zoologie und Physiologie mit einer Untersuchung, die viele spätere Erkenntnisse über die Beziehungen zwischen anatomischer Form und physiologischer Funktion vorwegnimmt. 

Auf Grund seiner großen Formenkenntnis mariner wirbelloser Tiere kritisierte er die damalige Systematik, löste den Begriff der Strahlentiere, Radiata, auf und definierte erstmalig den Stamm der Hohltiere, Coelenterata. 1855 wurde er als o. ö. Professor nach Gießen, 1869 nach Leipzig berufen, wo er ein großes Werk über die Parasiten des Menschen schrieb, das an Spezialkenntnissen über die Würmer (Helminthologie) das Wissen der meisten zeitgenössischen Zoologen übertraf.

Sein Werk "Anatomisch-physiologische Übersicht des Tierreiches" macht ihn zum Begründer der funktionellen Anatomie. Viele Begriffe, die dem Biologen heute selbstverständlich sind, wie parallele Anpassung, Polymorphismus, Arbeitsteilung, Parthenogenese u. a. m. wurden von Leuckart erstmalig definiert. Seine Ansätze zur kausalen Erklärung ontogenetischer Vorgänge, die schon in seiner Doktorarbeit anklingen, machen ihn zu einem Vorläufer der experimentellen Embryologie.