Leonberg ist durch die Bundesautobahnen 8 (Karlsruhe–Stuttgart–Ulm–München) und 81 (Würzburg–Stuttgart–Singen) an das überregionale Straßennetz angeschlossen. Beide Autobahnen werden am Autobahndreieck Leonberg verknüpft, das sich südlich der Kernstadt befindet. In unmittelbarer Nähe des Dreiecks befindet sich die Anschlussstelle Leonberg-Ost. Mit dem Ausbau der A 8 zusammen mit der B 295 kam 2008 die Anschlussstelle Leonberg-West hinzu. Die B 295 verläuft derzeit noch mitten durch Leonberg und hat ein sehr hohes Verkehrsaufkommen. Für Motorradfahrer ist das Leonberger Stadtgebiet mit dem Glemstal ein beliebtes Revier, woraus zeitweise hohe Lärmbelastungen resultieren.

Den öffentlichen Personennahverkehr (ÖPNV) bedient vor allem die seit 1978 bestehende Linie S6 (Weil der Stadt–Leonberg–Stuttgart Schwabstraße) der S-Bahn Stuttgart, die auf der Schwarzwaldbahn verkehrt. Sie ist eine Nahverkehrsverbindung in die Landeshauptstadt. Neben dem Bahnhof Leonberg gibt es Haltepunkte im Stadtteil Höfingen und im Stadtteil Silberberg (Haltepunkt Rutesheim). Ferner verkehren im Stadtgebiet zahlreiche Buslinien. Alle Linien verkehren zu einheitlichen Preisen innerhalb des Verkehrs- und Tarifverbund Stuttgart (VVS).

In der Kernstadt von Leonberg gilt seit dem 1. März 2008 (ursprünglich 1. Juli 2007, Startzeitpunkt wegen fehlender Verwaltungsvorschriften verschoben) die Feinstaubplakettenpflicht. Nur Fahrzeuge, die mindestens der Schadstoffgruppe 2 angehören, durften ab diesem Zeitpunkt in oder durch das Stadtgebiet fahren. Fahrzeuge der Schadstoffgruppe 1 (ohne Plakette) unterliegen seitdem einem Fahrverbot.

Seit 1. Januar 2012 wurde das Fahrverbot nach der Kennzeichnungsverordnung auf Fahrzeuge der Schadstoffgruppe 2 (rote Plakette), seit 1. Januar 2013 auf Fahrzeuge der Schadstoffgruppe 3 (gelbe Plakette) ausgeweitet. Am 2. Dezember 2013 wurde eine regionale Umweltzone Leonberg/Hemmingen und Umgebung gebildet (Übersicht).