2011 gewann Leyva in Saint Paul (Minnesota) erstmals den US-amerikanischen Mehrkampftitel gegen Jonathan Horton sowie die Wettkämpfe am Barren und Reck. Bei den folgenden Weltmeisterschaften in Tokio trat er erneut in sieben von acht Disziplinen an, den Sprung ausgenommen. Mit Bronze im Mannschaftswettbewerb gewann er seine erste WM-Medaille, während er im Mehrkampf nach Platz drei in der Qualifikation nur den 24. und damit letzten Platz im Finale belegte. Leyva hatte im Mehrkampffinale eine niedrige Wertung am Sprung erhalten. Am Reck, dem letzten Gerät der Konkurrenz, war er beim Flugelement "Liukin" mit dem Kinn auf die Reckstange geprallt und vom Gerät abgestürzt. Leicht desorientiert musste er von seinem Trainer Yin Alverez von der Matte geführt werden. Der bisherige Höhepunkt in Leyvas Karriere folgte einige Tage später mit dem Gerätefinale am Barren, in dem er mit 19 Jahren der jüngste Teilnehmer war. Mit 15.633 Punkten wurde er Weltmeister vor dem Griechen Vasileios Tsolakidis und dem Chinesen Zhang Chenglong (beide jeweils 15.533 Punkte). Er holte damit die erste Goldmedaille bei Weltmeisterschaften für die USA seit den Siegen Paul Hamms 2003 im Mehrkampf und am Boden.