Thuở nhỏ, những người họ hàng của Eleonore cố gả bà cho đức vua tương lai của nước Anh - Henry VIII và bà cũng đã được đính hôn với ông. Tuy nhiên, khi cha của Henry qua đời và ông lên ngôi kế vị, Henry quyết định cưới dì của Leonor là Catalina xứ Aragón (Bà là góa phụ của anh trai Henry - Arthur, Thân vương xứ Wales). Họ hàng của bà cũng cố gả bà cho các vị vua người Pháp như Louis XII hay François I hoặc Vua Ba Lan - Zygmunt I, nhưng những kế hoạch này đều không có kết quả. Năm 1510, Leonor cũng được đề nghị kết hôn với Antoine - Công tước vùng Lorraine.
Năm 1517, có thể Leonor đã có một cuộc tình với Frederick II - Tuyển đế hầu của Kurpfalz. Em trai bà là Vua Charles (người lên kế vị ông ngoại của họ là Fernando II làm vua Tây Ban Nha vào năm trước) một lần phát hiện ra bà đang đọc một bức thư tình của Frederick. Charles buộc Leonor và Frederick phải thề trước mặt chưởng lý rằng họ không bí mật kết hôn với nhau, sau đó ông trục xuất Frederick ra khỏi triều. Năm 1517, bà theo em trai mình chuyển đến Tây Ban Nha.
Vương hậu Bồ Đào Nha
Leonor kết hôn với cậu của mình – Vua Manuel I của Bồ Đào Nha, sau khi hôn sự giữa bà với người anh họ là João III của Bồ Đào Nha không thể thực hiện được nữa. Em trai Carlos đã sắp đặt cuộc hôn nhân giữa Leonor và Vua Bồ Đào Nha để tránh tình rơi vào tình trạng người Bồ Đào Nha trợ giúp cho quân khởi nghĩa ở vùng Castilla. Manuel trước đây đã từng kết hôn với lần lượt với bác và dì của Leonor là Isabel của Castilla và María của Castilla.
Manuel và Leonor kết hôn vào ngày 16 tháng 07 năm 1518. Họ có hai người con: Vương tử Charles (sinh ngày 18 tháng 02 năm 1520 – mất ngày 15 tháng 04 năm 1521) và Vương nữ Maria (sinh ngày 08 tháng 06 năm 1521, người sau này là một trong những vị công chúa giàu có nhất châu Âu). Bà trở thành góa phụ vào ngày 13 tháng 12 năm 1521 khi Manuel qua đời vì bệnh dịch hạch. Với tư cách là Thái hậu của Bồ Đào Nha, Leonor trở lại triều đình của Carlos ở Tây Ban Nha. Em gái của Leonor là Catalina sau đó kết hôn với người con trai riêng của chồng bà – Vua João III của Bồ Đào Nha.
Vào tháng 7 năm 1523, Leonor đính hôn với Charles III – Công tước xứ Bourbon, trong liên minh giữa Charles và Bourbon chống lại Pháp, nhưng cuộc hôn nhân này chẳng bao giờ diễn ra. Năm 1526, Leonor tiếp tục đính hôn với Vua François I của Pháp trong thời gian ông bị giam cầm ở Tây Ban Nha.
Vương hậu nước Pháp
Năm 1529, theo Hiệp ước Cambrai quy định thì cuộc hôn nhân phải được diễn ra. Bà đã kết hôn với François vào ngày 04 tháng 07 năm 1530 nhưng họ không có con chung.
Leonor rời Tây Ban Nha cùng các con chồng tương lai của mình (những người trước đây từng bị em trai của bà bắt làm con tin bây giờ được thả ra). Nhóm bọn họ đã gặp François tại biên giới, đây cũng là nơi Leonor và Francois kết hôn và rồi khởi hành tới Bordeaux. Leonor được chính thức lên làm Vương hậu nước Pháp ở Saint-Denis vào ngày 31 tháng 05 năm 1531. Trong lễ đăng quang, bà mặc một chiếc đầm nhung tím. Leonor đã bị François phớt lờ, ông hiếm khi thực hiện nghĩa vụ giữa vợ chồng với bà và thích cô người yêu Anne xứ Pisseleu hơn. Khi Leonor chuẩn bị tiến đến lối vào chính thức của Paris thì trong khoảng hai tiếng, trên một ô cửa sổ François đã công khai người tình Anne của mình trước công chúng.
Vương hậu Leonor thể hiện tư cách của một vương hậu Pháp trong các dịp lễ chính thức, như đám cưới con chồng Henri và Caterina de' Medici vào năm 1533. Bà hay thực hiện các công tác từ thiện và rất được ca ngợi về điều này. Bà cũng rước hai người cô con chồng là Madeleine và Marguerite về nhà để tiếp tục nuôi dưỡng.[1]
Là vương hậu Pháp, Leonor không hề có quyền lực chính trị; tuy nhiên, bà được xem như là mối liên kết giữa Pháp và Đế quốc La Mã. Vương hậu Leonor có mặt trong các cuộc đàm phán hòa bình giữa François và Charles ở Aigues-Mortes vào năm 1538. Năm 1544, bà được giao nhiệm vụ tham gia đàm phán hòa bình giữa Carlos và em gái María. Vào tháng 11 năm 1544, bà ghé thăm Carlos ở Bruxelles.
Cuối đời
Với tư cách là Vương thái hậu, Leonor rời khỏi Pháp để tới Bruxelles vào năm 1548. Bà chứng kiến sự thoái vị của Carlos vào tháng 10 năm 1555. Bà cùng ông và em gái María dọn tới Tây Ban Nha vào tháng 08 năm 1556. Bà sống với em gái mình ở Jarandilla de la Vera, ở đây họ thường đến thăm anh/em trai mình – người đang ẩn cư ở một tu viện gần đó. Năm 1558, bà gặp con gái Maria ở Badajoz lần đầu tiên sau 28 năm. Leonor mất năm 1588 trên đường trở về từ Badajoz.