Léonid Pasternak nait à Odessa dans une famille juive de cinq enfants. Son père est hôtelier. Tôt, le jeune garçon développe un goût prononcé pour le dessin, incompris au début de sa famille. De 1878 à 1881, il étudie dans une école de dessin d'Odessa puis entre à la faculté de médecine de l'université de Moscou. De 1883 à 1885, il étudie à la faculté de Droit de l'université de Nouvelle Russie à Odessa.
Le collectionneur Pavel Tretiakov lui achète son tableau Lettre de la maison pour sa Galerie Tretiakov, et Pasternak décide alors de déménager à Moscou. En 1889, il se marie avec Rosalie Isidorovna Kaufmann.
Après les années de chaos de la Révolution, Pasternak obtient la permission de se faire soigner en Allemagne. Il part avec sa femme et ses filles, en 1921, pour Munich et ne retournera jamais en Russie.