เลโอนอร์แห่งกัสติยาเสด็จพระราชสมภพในเดือนพฤศจิกายน ค.ศ. 1241 ที่บูร์โกส โดยทรงเป็นพระราชบุตรคนที่สองในห้าของพระเจ้าเฟร์นันโดที่ 3 แห่งกัสติยากับพระราชินีฌานแห่งดามาร์แต็ง เคาน์เตสแห่งปงตีเยอตามสิทธิ์ของตนเองซึ่งเป็นพระมเหสีคนที่สองของกษัตริย์แห่งกัสติยา พระองค์ได้รับตั้งชื่อตามเอลินอร์แห่งอังกฤษ พระอัยกีฝั่งมารดาของพระบิดาซึ่งเป็นพระธิดาของพระเจ้าเฮนรี่ที่ 2 แห่งอังกฤษ กับอาลีเยนอร์แห่งอากีแตน และเป็นพระมเหสีของพระเจ้าอัลฟอนโซที่ 8 แห่งกัสติยา นอกเหนือจากพี่น้องร่วมพระบิดามารดาเดียวกัน เลโอนอร์ยังมีพี่น้องต่างมารดาซึ่งเป็นพระราชบุตรของพระเจ้าเฟร์นันโดที่ 3 ซึ่งเกิดจากเอลิซาเบธแห่งชวาเบิน พระมเหสีคนแรกอีก 10 คน หนึ่งในนั้นคือพระเจ้าอัลฟอนโซที่ 10 แห่งกัสติยา ผู้สืบทอดตำแหน่งต่อจากพระบิดา

ในตอนที่พระราชบิดาสิ้นพระชนม์ในปี ค.ศ. 1252 เลโอนอร์อยู่ที่เตียงสิ้นพระชนม์ของพระองค์[1] ผู้สืบทอดบัลลังก์ต่อจากพระเจ้าเฟร์นันโดที่ 3 คือ พระเจ้าอัลฟอนโซที่ 10 พระเชษฐาต่างมารดาซึ่งมีพระชนมายุมากกว่าเลโอนอร์ 20 พรรษา เลโอนอร์ได้รับการศึกษาในระดับสูงกว่ามาตรฐานในยุคนั้น[2]