Занесенный в Книгу Рекордов Гиннеса, Леонов является одним из двух в мире летчиков, летавших на боевом самолете без одной руки.
C 1940 года - в Красной Армии. В июле 1941 года окончил ускоренный курс Армавирской школы пилотов истребительной авиации, затем служил в 56-м истребительном авиационном полку (Забайкальский фронт, Монголия). В 1943 году окончил школу пилотов в Армавире, где освоил самолет-истребитель Ла-5.
С 6 мая 1943 года - в боях Великой Отечественной войны в качестве летчика 192-го истребительного авиаполка 6-го истребительного авиационного корпуса.
5 июля 1943 года в воздушных боях на Курской дуге сбил два самолета противника, сам был сбит, получил тяжелое ранение левого плечевого сустава, повлекшее полную ампутацию руки.
Будучи признанным негодным к летной работе, И. А. Леонов был направлен для дальнейшего прохождения службы в качестве специалиста наземной службы. Впоследствии обратился к командующему 1-й Воздушной Армии генералу М. М. Громову с просьбой разрешить вернуться к полетам. По личному указанию Громова данная просьба была удовлетворена, и лейтенант Леонов был направлен в качестве летчика в 33-ю эскадрилью связи 1-й Воздушной армии.
С протезом пилотировал самолет По-2, совершил более 60 боевых вылетов. В конце 1944 года в полете был ранен в ногу, после выздоровления служил в штабе 900-го Оршанского истребительного авиационного полка. В апреле 1946 года уволен в отставку в звании старшего лейтенанта.