เลโอนอร์เป็นพระธิดาของพระเจ้าอัลฟอนโซที่ 8 แห่งกัสติยากับพระราชินีเอเลนอร์แห่งแพลนทาเจเนต พระอัยกาและพระอัยกีทางฝั่งพระบิดาของเลโอนอร์คือพระเจ้าซันโชที่ 3 แห่งกัสติยากับพระมเหสี บลังกา การ์เซสแห่งปัมโปลนา ส่วนพระอัยกาและพระอัยกีทางฝั่งพระมารดาคือพระเจ้าเฮนรีที่ 2 แห่งอังกฤษกับอาลีเยนอร์แห่งอากีแตน พระองค์มีพี่น้องหลายคน หนึ่งในนั้นคือพระเจ้าเอนริเกที่ 1 แห่งกัสติยาที่สิ้นพระชนม์โดยไร้ทายาท, เบเรงเกลา พระเชษฐภคินีที่สืบทอดบัลลังก์ต่อจากพระอนุชา และบลังกา[1] พระเชษฐภคินีอีกคนที่กลายเป็นพระราชินีแห่งฝรั่งเศสจากการอภิเษกสมรสกับพระเจ้าหลุยส์ที่ 8 แห่งฝรั่งเศส