Urodzony w Sparcie około 545 p.n.e. był potomkiem królewskiego rodu Eurypontrydów. Do władzy doszedł głównie dzięki pomocy Kleomenesa I poprzez zrzucenie z tronu Demaratosa w 491 p.n.e. W tym samym roku Leotychidas dołączył do wyprawy Kleomenesa na Eginę, gdzie schwytano dziesięciu zakładników i oddano Atenom. Jednak po śmierci Kleomenesa w 488 p.n.e. prawie musiał się poddać. Wiosną 479 p.n.e. Leotychidas rozkazał greckiej flocie składającej się ze 110 okrętów w Eginie i później na Delos udzielić pomocy greckiemu powstaniu na Chios i Samos przeciwko Persji. Król pokonał perskie wojsko i flotę w bitwie pod Mykale u wschodnich wybrzeży Azji Mniejszej latem 479 p.n.e. W 476 przed Chrystusem Leotychidas wysłał ekspedycję przeciwko tesalskiemu rodowi panującemu Aleuadów, chcąc ukarać ich za współpracę z najeźdźcami perskimi, ale wycofał się, przekupiony przez nich. Po powrocie do Sparty był sądzony o przyjęcie łapówki i udał się do świątyni Ateny w Tegei. Został skazany na wygnanie, a jego dom został spalony. Władcą Sparty został jego wnuk, Archidamos II. Leotychidas zmarł kilka lat później, około roku 469 p.n.e.