Barbosa a été choisi en 28e position dans la draft 2003 de la NBA par les Spurs de San Antonio; ses droits ont été ensuite transférés aux Suns de Phoenix. Il détient le record de la franchise pour le nombre de points marqués dans un match par un rookie pour son premier match dans le cinq majeur avec 27 points face aux Bulls de Chicago le . Sa moyenne à trois points était de 41,8 % fin .
Dit aussi Leandrinho, Little Leandro, Speedy Gonzalez, son surnom en NBA est « Brazilian Blur » (le flou brésilien). Avec 18,1 points, 4 passes et 2,7 rebonds en 32 minutes, remplaçant à 62 reprises, il a été récompensé par le titre de meilleur sixième homme de la saison 2006-2007[1].
Le , Barbosa signe avec le club de Flamengo Basketball au Brésil durant le NBA lockout de 2011. Son contrat prend en compte une clause de retour en NBA à la fin du lockout. En , il rejoint les Raptors de Toronto.
Le , il est envoyé aux Pacers de l'indiana contre de l'argent et un second tour de draft 2012. Avec son aide, l'équipe arrive à se qualifier jusqu'en demi-finale de conférence, où ils sont éliminés par le Heat de Miami.
Le , il signe aux Celtics de Boston. Le , après un match contre les Bobcats de Charlotte, il se blesse au genou gauche ce qui met un terme à sa saison. Il est le troisième membre des Celtics à être indisponible pour le reste de la saison, rejoignant Rajon Rondo et Jared Sullinger.
Le , Barbosa signe avec le club d'Esporte Clube Pinheiros au Brésil pour la saison 2013-2014. Durant cette saison, il tourne à plus de 20 points, 3 rebonds et 3 passes par match. En , il retourne aux États-Unis pour jouer en NBA.
Le , il signe un contrat de dix jours avec les Suns de Phoenix. Le , il signe un second contrat de dix jours. Le , il est conservé pour le reste de la saison à la suite de bonnes performances. Malheureusement, le 4 mars, il se fracture la main droite, l'obligeant à manquer la fin de saison.
Le , il prolonge son contrat avec les Warriors d'un an et 2,5 millions de dollars[3]. Il participe à la réussite de l'équipe pour réaliser la meilleure saison régulière de toute l'histoire de la ligue, avec 73 victoires pour 9 défaites. Les Warriors sont favoris pour remporter à nouveau le titre. Durant les Finales NBA 2016, face aux Cavaliers, l'équipe n'est plus qu'à une victoire du titre, menant la série 3-1. Cependant, ils vont finir par perdre la série sur le score de 4-3 face à la franchise de LeBron James, réalisant un exploit.
Le , Leandro signe un contrat de 8 millions de dollars sur 2 ans avec le Suns de Phoenix. Le 28 décembre 2016, dans une défaite face aux Spurs de San Antonio, Barbosa joue son 517e match avec les Suns, devenant le 10e joueur ayant joué le plus de matchs avec la franchise. Le 3 mars 2017, il fait sa 544e apparitions pour passer 9e au classement. Cependant, le 3 juillet 2017, il est coupé par les Suns.
En novembre 2017, Barbosa retourne jouer dans le championnat brésilien, avec le club de Franca São Paulo. Puis en décembre 2018, il s'engage avec le Minas Tênis Clube, où il sera même le meilleur marqueur de la saison 2019-2020, avec 20,1 points, interrompue par la pandémie de COVID-19.
Le 14 septembre 2020 Barbosa annonce sa retraite professionnelle et prend place au sein de l'encadrement technique de son ancienne franchise, avec laquelle il a remporté un titre NBA, les Warriors de Golden State[4].
