Leonor passou a sua infância na côrte de Mântua. Famosa pela sua beleza singular, casou com Fernando em Innsbruck em 2 de fevereiro de 1622, uma vez que a anterior mulher do imperador, Maria Ana da Baviera, morrera em 1616. Ao contrário do esperado, a família Gonzaga não beneficiou desta ligação, uma vez que os conselheiros do Imperador não apoiavam a aliança. As tropas imperiais capturaram e destruíram Mântua em 1630 durante a Guerra da Sucessão de Mântua.