До войны Леонов работал на заводе, но с началом Великой Отечественной добровольцем ушёл на флот. В 1941 году он был зачислен в 181-й отдельный разведывательный отряд Северного флота, который действовал в сложных условиях Заполярья. Разведчики под его командованием проводили рейды в тыл врага, уничтожали гарнизоны, захватывали пленных и документы, минировали коммуникации.

Одной из самых известных операций Леонова стал рейд на мыс Крестовый в октябре 1944 года. Его группа, несмотря на численное превосходство противника, захватила немецкую батарею, взяв в плен более 60 солдат и офицеров. За этот подвиг 5 ноября 1944 года Виктору Леонову было присвоено звание Героя Советского Союза.

После разгрома Германии Леонов был переведён на Тихоокеанский флот, где возглавил 140-й отдельный гвардейский разведывательный отряд. В августе 1945 года его бойцы провели ряд дерзких операций против японских войск в Корее.

14 августа 1945 года разведчики Леонова высадились в порту Вонсан и, не дожидаясь подхода основных сил, захватили несколько укреплённых объектов, взяв в плен около 2000 японских солдат и офицеров. Аналогичный успех был достигнут в порту Гензан, где отряд Леонова пленил ещё около 3000 военнослужащих противника.

За умелое командование и личное мужество 14 сентября 1945 года Виктор Леонов был второй раз удостоен звания Героя Советского Союза.

После войны Леонов продолжил службу на флоте, занимался подготовкой разведчиков — именно ему ТОФ обязан легендарными «холуаевцами», вокруг которых существует  множество легенд.