Peltonen-Palotie wurde in Helsinki geboren, aber ihre Familie zog nach Oulu, als sie fünf Jahre alt war. Ihre Hochschulreife erlangte sie 1971 am Finnischen gemischten Gymnasium von Oulu. Peltonen-Palotie studierte Medizin und erhielt 1976 ihr Lizentiat und 1978 den Doktortitel von der Universität Oulu.[3]
Von 1987 bis 1998 arbeitete Peltonen-Palotie am Nationalen Institut für das öffentliche Gesundheitswesen in Finnland. Von 1998 bis 2002 war sie an der Gründung der Abteilung für Humangenetik an der UCLA beteiligt.[4] Seit 2003 hatte sie eine Professur an der Akademie von Finnland inne. Im April 2005 wurde Peltonen-Palotie an die Universität Helsinki und das Nationale Institut für das öffentliche Gesundheitswesen Finnlands berufen. Im EU-Projekt GenomEUtwin, welches zur Erfassung und Charakterisierung der genetischen Komponenten von Krankheiten ins Leben gerufen wurde, war Peltonen-Palotie Projektleiterin. Im Jahr 2004 wurde sie Mitglied des Verwaltungsrats der Orion Corporation, dem größten finnischen Pharmaunternehmen. Im September 2007 trat Peltonen-Palotie dem Wellcome Trust Sanger Institute als Leiterin der Humangenetik bei. Außerdem leitete sie Forschungsgruppen am Broad Institute des MIT und an der Harvard University.[2] Peltonen-Palotie publizierte über 500 wissenschaftliche Veröffentlichungen und hat über 70 Doktoranden während ihrer Karriere betreut.[2] Sie starb am 11. März 2010 an einem Knochentumor.
Zusätzlich zu vielen akademischen Auszeichnungen erhielt sie im Jahr 2000 einen Ehrendoktor der Medizinischen Fakultät an der Universität Uppsala[6] und 2004 der Universität Joensuu.[7]
2004 listete die finnische Fernsehsendung Suuret Suomalaiset Peltonen-Palotie auf Platz 77 der 100 bedeutendsten Finnen aller Zeiten.
2006 wurde Peltonen-Palotie mit dem belgischen Prix van Gysel und dem Schwedischen Stora Fernströmpriset ausgezeichnet. Im Jahr 2009 wurde ihr der finnische Ehrentitel Akademiker verliehen.[1]
Am Internationalen Frauentag 2010 wurden ihre Leistungen in Form einer von der Finnischen Post herausgegebenen Gedenkbriefmarke geehrt.[2]
Der Leena-Peltonen-Preis für herausragende Leistungen in der Humangenetik ist ihr zu Ehren benannt.[8]