Nono dei 16 figli di Maria Teresa d'Asburgo e dell'imperatore Francesco I di Lorena, era il secondo maschio per cui, come dai patti dinastici stabiliti dopo l'estinzione della famiglia Medici, ottenne la corona di Toscana, che era separata e indipendente da quella d'Austria, sebbene, ovviamente, alleata.

Figlio secondogenito del granduca Ferdinando III di Toscana e di Luisa Maria Amalia di Borbone-Napoli, Leopoldo visse la sua prima giovinezza nei territori del Sacro Romano Impero, dove il padre si era rifugiato dopo l'invasione napoleonica. Divenne principe ereditario "in pectore" del Granducato di Toscana nel 1800, alla morte del fratello maggiore Francesco Leopoldo. Seguì il genitore in esilio dapprima a Vienna e poi, del 1803, a Salisburgo, dove Ferdinando ottenne come compensazione per i territori perduti l'area dell'ex arcivescovato. Leopoldo nel marzo del 1805 venne costretto ad abbandonare anche questa città per l'incalzare della nuova guerra tra Austria e Francia rivoluzionaria e per questo si trasferì a Würzburg, dove la famiglia si stabilì in quello che era l'antico palazzo vescovile. Durante questi tormentati anni, Leopoldo riuscì a studiare molto con tutori tedeschi ed italiani, mostrando una particolare predilezione per le materie letterarie.