Acteur britannique, Leon Vitali débute à la télévision où il tourne de nombreuses séries de 1970 à 1975. Il aborde le cinéma en 1973 avec le polar italien Piège pour un tueur de Massimo Dallamano. Il est alors approché par Stanley Kubrick qui lui confie le rôle de Lord Bullingdon dans Barry Lyndon. Le personnage est le fils de Lady Lyndon (Marisa Berenson), et le beau-fils et ennemi du protagoniste, joué par Ryan O’Neal. Une réelle amitié s’instaure par contre entre Leon Vitali et le cinéaste.
L’acteur tient ensuite le rôle-titre du film d’horreur anglo-suédois Victor Frankenstein (1977) de Calvin Floyd, avant de mettre quasiment un terme à son parcours de comédien. S’il est un temps costumier, avec son épouse Kersti Gustafsson, Leon Vitali se distingue surtout par la poursuite d’une intense collaboration avec Kubrick pour ses derniers films.
Il devient en effet son assistant réalisateur privilégié à partir de Shining (1980), et son directeur de casting pour Full Metal Jacket (1987) et Eyes Wide Shut (1999) : dans cette ultime œuvre, il incarne en outre le meneur de jeu de la séquence orgiaque.
Après la mort de Kubrick, Leon Vitali, en tant qu’exécuteur testamentaire, supervise la restauration de ses œuvres et leur édition en support vidéo. Il est également producteur associé pour Little Children (2006) de Todd Field. Leon Vitali est décédé le 20 août 2022 à l’âge de 74 ans.