Chuck Schumer sa att domare Neil Gorsuch förespråkade "makt över de svaga" och misslyckades med att besvara "fråga efter fråga" i hans bekräftelseförhör.
Senatdemokraterna är i en minoritet på 48-52 men kan insistera på att Gorsuch vinner 60 röster, en så kallad filibuster.
Republikanerna skulle då kunna återgå till en enkel majoritet i ett "kärnkraftsalternativ".
Det skulle kräva att de röstade om en ändring av reglerna.
Herr Schumers tillkännagivande kommer säkert att sätta upp en blåmärkesstrid.
Han sa att han inte trodde att domare Gorsuch skulle vara en vanlig domare.
"Efter noggrann överläggning, har jag dragit slutsatsen att jag inte kan stödja domare Neil Gorsuch nominering till högsta domstolen," Mr Schumer sade.
"Han måste tjäna 60 röster för bekräftelse. Min röst kommer att vara "nej", och jag uppmanar mina kolleger att göra detsamma, tillade han.
Om Gorsuch inte fick 60 röster, "svaret är inte att ändra reglerna, det är att ändra den nominerade", sade Schumer.
Domare Gorsuch är den fjärde och sista dagen av sin utfrågning inför senatens rättsliga kommitté, där utomstående parter kommenterar för eller mot hans nominering.
Torsdagens första vittne, American Bar Association, gav domare Gorsuch högsta betyg av "väl kvalificerad".
Utskottet kommer att rösta om nomineringen, förmodligen nästa vecka. Den registrerar helt enkelt en positiv, ogynnsam eller "utan rekommendation" kommentar och vidarebefordrar det slutliga beslutet till den fullständiga senaten.
Senatrepublikanerna säger att de kommer att begära en fullständig omröstning på kammarens våning innan kongressen lämnar för paus den 7 april.
Det är oklart hur många, om några, senatens demokrater skulle stödja Gorsuchs nominering. Han skulle behöva åtta för att slå filibustern.
Det så kallade kärnkraftsalternativet skulle kräva att republikanerna ändrade senatens regler så att Gorsuchs nominering kunde godkännas med enkel majoritet.
President Trump har uppmanat dem att göra det om det behövs.
Under utfrågningen uttryckte demokraterna i utskottet regelbundet sin ilska över att president Barack Obamas nominering till en tjänst som lades ut för 13 månader sedan nekades en utfrågning av republikaner.
Republikanerna blockerade Merrick Garlands nominering och hävdade att det inte borde gå vidare under ett valår.
Herr Gorsuch, 49, skulle återupprätta en konservativ majoritet på 5-4 i Högsta domstolen som förföll i och med att domare Antonin Scalia avled.
Som en livstidsutnämnare skulle domare Gorsuch ansluta sig till de andra rättsskiparna genom att ha det slutliga juridiska ordet i många av de känsligaste frågorna i USA.
Domare Gorsuchs kvalifikationer har inte ifrågasatts vid hans förhör, men demokraterna har blivit frustrerade över hans vägran att signalera någon ståndpunkt i sådana känsloladdade områden som vapenkontroll, abort och arbetstagares rättigheter.
Han har helt enkelt sagt att det är hans plikt att tillämpa lagen i dess nuvarande form.
Den ledande demokraten i den amerikanska senaten säger att han kommer att leda ett försök att blockera president Donald Trumps nominering till Högsta domstolen.