Leitemo er utdannet samfunnsøkonom med mastergrad (MSc) fra London School of Economics and Political Science (LSE) i 1995 og profesjonsstudiet (Cand Oecon) ved Universitetet i Oslo i 1996. Han var universitetsstipendiat i perioden 1997–1999 og disputerte for doktorgraden (Dr Polit) i mai 2001. Han mottok i 2001 Norges Bank's 4-årige pris for beste doktoravhandling i makroøkonomi. Etter stipendiatperioden ved Universitetet i Oslo var Leitemo i perioden 1999–2002 forsker i Forskningsavdelingen i Norges Bank. Han ble deretter ansatt ved Handelshøyskolen BI i 2002 som førsteamanuensis. Han ble professor i 2008 med professorkompetanse fra 2006. Hans forskning omfatter valg av pengepolitisk regime, utformingen av pengepolitikk basert på inflasjonsmålsprinsipper («inflasjonsstyring»), innretningen av pengepolitikken under modellusikkerhet samt samspillet mellom penge- og finanspolitikken. I 2004 ledet han en internasjonal arbeidsgruppe som vurderte Norges Banks pengepolitikk for året 2003 (Norges Bank Watch 2004) som kom med omfattende råd om endringer i politikkutformingen. Han har videre ledet to internasjonale forskningsprosjekter finansiert av Norges forskningsråd. I juni 2010 mottok han Handelshøyskolen BIs 3-årige forskningspris for sine publikasjoner i årene 2007–2009. Han har publisert i ledende internasjonale fagtidsskrifter, blant annet , . Han har også deltatt på og arrangert en rekke internasjonale konferanser og workshops.