Hija de Francisco Varela y Leonor Palma, posee ascendencia franco-chilena y fue criada en Colorado, Estados Unidos. Comienza su carrera en la década de los noventa, primero en el modelaje y luego en la actuación. En televisión chilena inicia su trabajo en la telenovela "Tic Tac" (1997), y paralelamente desarrolla diversos proyectos para la televisión de otros países. En Estados Unidos participó, entre otros, en la serie "Jeremiah" -junto a Patrick Dempsey- y protagonizó la miniserie "Cleopatra". En Francia también trabajó en televisión incluyendo las producciones "Exterme Limite" y "Sous Le Soleil". Su debut en el cine norteamericano fue en un pequeño rol junto a Leonardo Di Caprio en la cinta The Man in the Iron Mask (1998). Luego coprotagonizará junto a Pierce Brosnan y Geoffrey Rush la adaptación de la novela de John Le Carré The Tailor of Panama (2001) de John Boorman y más tarde compartirá pantalla con Wesley Snipes Blade II (2002), bajo la dirección de Guillermo del Toro. En el cine francés obtuvo un pequeño papel en la cinta Tais-toi! (2003) junto a las estrellas del cine galo Gérard Depardieu y Jean Reno, además de participar en las películas Pas si grave (2003) y Les parasites (1999), entre otras. En el 2005 protagoniza la coproducción estadounidense-mexicana Voces Inocentes, premiada por productores estadounidenses con el galardón "Stanley Kramer”. Ya transformada en una actriz internacional Leonor Varela regresa a Chile para protagonizar la película Paraíso B (2002) de Nicolas Acuña. Actúa también en la co-producción All inclusive y aparece brevemente en Qué pena tu vida.