Nació en un pueblecillo de la provincia de Navarra en 1480, siendo descendiente de un tal Juan de Leiva, que a principios del siglo XV había construido un castillo en la villa de Leiva, situada en la provincia de Logroño y a 11 kilómetros de Santo Domingo de la Calzada y a 20 kilómetros de Haro. En 1501 se inició en la carrera de las armas, tomando parte en la guerra de las Alpujarras contra los moriscos sublevados. Posteriormente pasó a Nápoles a las órdenes de su pariente El Gran Capitán. Tomó parte en la batalla de Rávena (1512), donde fue herido en la jornada en la que las tropas de la Liga, mandadas por el virrey de Nápoles, don Ramón de Cardona, fueron derrotadas por el ejército francés al mando de duque de Nemours.

La fama de Antonio de Leiva vino con ocasión de la batalla de Pavía. Al invadir Italia el rey Francisco I, las tropas imperiales tuvieron que retirarse ante la superioridad de los franceses, y Antonio de Leiva se refugió en Pavía con cerca de 6.000 hombres, siendo cercado por el rey francés en persona el 28 de octubre de 1524. Los soldados de Leiva rechazaron el asalto del 7 de noviembre y repararon casi inmediatamente las brechas abiertas en la muralla por la artillería francesa.

En los combates de los dias siguientes perecieron tantos franceses que el rey Francisco I ordenó que se suspendiesen los ataques para tratar de emplear otros medios y recursos. Uno de ellos fue el de torcer con estacadas el curso del río Tesino, que defendía la ciudad por un lado; pero cuando la obra estaba ya casi terminada sobrevinieron unas lluvias tan copiosas que la coriente arrastró las obras realizadas.También hizo destruir los molinos de ambas riberas, pero el general español había previsto este echo y había hecho construir molinos de mano suficientes para las necesidades de la población.

No teniendo con que pagar a los soldados, los repartió por las casas, imponiendo a los vecinos la obligación de darles de comer; y a fin de que no faltase moneda, al menos para los tudescos, que eran los más impacientes, recogió toda la plata de los templos y la hizo acuñar con un letrero que decía: Los cesarianos cercados en Pavía, año 1524.. A pesar de ello, los alemanes amenazaban rendir la plaza si no recibían sus pagas; pero gracias al ardid de dos valientes españoles pudo recibir 3.000 escudos del marqués de Pescara. De este modo las tropas de Leiva pudieron resistir hasta el 24 de febrero de 1525, fecha de la célebre batalla de Pavía. Ese día Leiva se hallaba enfermo, y a pesar de ello se hizo sacar en una silla a la puerta de la plaza, y allí entretuvo a unas tropas italianas del ejército francés con 1.000 soldados españoles y alemanes, impidiendo que tomasen parte en la batalla.

La defensa de Pavía, elogiada por el propio Francisco I, valió a Leiva el gobierno del Milanesado y el título de príncipe de Ascoli. En 1528, doliente y casi postrado de gota, supo triunfar con un puñado de soldados sobre los duques de Urbino, Sforzo y Saint Pol, haciéndose conducir a los combates en una litera: puso en fuga a los dos primeros, cogió prisionero al último y obligó a retirarse a las fuerzas francesas, que no regresaron a Italia en muchos años.

En septiembre de 1529 Carlos V ordenó a Antonio de Leiva que se le presentase en Plasencia, con ocasión de un viaje a Italia del Emperador, pues deseaba conocer personalmente al afamado capitán. Este intentó excitar al emperador para que continuase la guerra, asegurándole la victoria y razonando que podría hacerse sin dificultad como Señor de toda Italia; pero Carlos V insistió en sus proyectos de paz y ordenó a Leiva que se limitase a reconquistar la plaza de Pavía, en manos francesas en aquel tiempo.

Por esta época tuvo lugar el testimonio de aprecio dado en público por el emperador a Leiva. Se cuenta que en una revista de comisario el propio emperador se presentó con una pica en la mano, y al llegarle el turno de desfilar ante el contador real, el sargento mayor y el maestre de campo, éste se puso en pie sorprendido y le preguntó qué concepto debía escribir en la reseña, a lo que el emperador contestó: "Carlos de Gante, soldado del tercio del valeroso Antonio de Leiva."

Pero Leiva era un obstáculo para la paz que solicitaba el duque de Sforza con tanto interés, por lo que Carlos V le ordenó que pasase a Bolonia para asistir a las fiestas de su coronación por la papa Clemente. En medio de aquella ceremonia otra escena llamó la atención: la de los soldados alemanes y españoles llevando a hombros a su capitán Antonio de Leiva mientras los prelados y el clero entonaban el Te Deum. El 23 de diciembre de 1529 se firmó la paz con el duque de Sforza, y el emperador solicitó al duque que concediera a Leiva algunas tierras en Milán, como agradecimiento del emperador hacia su general.

En 1533 fue nombrado generalísimo de la liga defensiva formada a instancias del emperador entre todos los estados italianos, a excepción de Venecia, que no quiso entrar en ella. En 1536 acompañó al emperador durante sus campañas de África, que antes había vencido a los turcos frente a Viena.

En 1536 se reanudó la guerra entre Francisco I y Carlos V. Antonio de Leiva era prácticamente el general en jefe de las tropas reunidas por el emperador en Italia, puesto que eran sus consejos y parecer los que seguía Carlos V, a pesar de que los principales caudillos de la época formaban parte de aquel ejército. Leiva puso sitio a la plaza de Tossano con 15.000 soldados alemanes, españoles e italianos, tomándola tras un mes de cerco. A continuación aconsejó al emperador que se internara en el mediodía francés, en contra de la opinión de la mayoría del resto de generales. En aquella expedición Leiva murió con 56 años en la localidad de Aix como consecuencia de la gota que padecia desde hacía varios años. La muerte de Antonio de Leiva fue muy sentida por Carlos V y una de las causas que decidieron la retirada de su ejército de suelo francés en octubre de 1536.

Antonio de Leiva, príncipe de Ascoli, marqués de Stela, conde de Monsa y Grande de España, dejó a su muerte cerca de 200.000 ducados a su única hija, que se convirtió en la "primera gran dote sin mayorazgo de aquellos tiempos en España".