Она родилась 15 мая 1898 года в Курбевуа, департамент О-де-Сен, и была дочерью Мишеля Батия, начальника трамвайного депо, и Мари Дотре, прачки. У Леони был младший брат по имени Пьер. Девушка получила хорошее образование в частной школе, после чего начала изучать стенографию в училище Пижье. Первая мировая война унесла жизнь ее возлюбленного, а в 1916 году погиб отец, попав под трамвай, и Леони, ее брата и мать выселили с казенной квартиры.
Нужны были деньги, и Леони решила воспользоваться своим голосом и внешностью. Она начала выступать в мюзик-холле, чуть позже стала появляться на сцене театров и кабаре. Молодой банкир Жак-Жорж Леви, ее ровесник, увлекся красавицей-актрисой, и Арлетти стала его возлюбленной. Она поселилась на его роскошной вилле, в соседях у юной содержанки были Коко Шанель и Андре Брюле. Леви знакомил ее с театральными мэтрами, кутюрье, водил в шикарные рестораны и представил парижскому высшему обществу. Оставив банкира, Леони встретила торговца живописью Поля Гийома, открывшего миру Пикассо и Модильяни. Он познакомил ее с директором небольшого театра, и Арлетти десять лет провела на театральной сцене, прежде чем начала сниматься в кино. В это же время она стала одной из манекенщиц модельера Поля Пуаре, одного из самых влиятельных мужчин в мире парижской моды.
Арлетти дебютировала в кино в 1930 году, сыграв в фильме 'Сладость любви' со знаменитым актером Виктором Буше. Годом позже она отличилась в главной роли в восхитительном фильме Жана Шу 'Собака, которая приносит поноску' (Un chien qui rapporte). Среди художников, которым позировала Арлетти - Мари Лоренсен, Кеес ванн Донген, Мойше Кислинг и Жан-Габриэль Домерг.
Сценическая карьера Арлетти резко повернула вверх после участия в оперетте 'Рождественский ужин' (Un soir de réveillon) Рауля Моретти в 1932 году. Через год она сыграла эту же роль в американской экранизации оперетты, что добавило актрисе популярности по обе стороны Атлантики. После этого она играла в оперетте Саши Гитри и затем приняла участие в 'Дамском счастье' (Le Bonheur mesdames), которое выдержало около 500 спектаклей.
Жак Превер и Марсель Карне предлагали Арлетти самые свои лучшие роли в кино, в том числе в драме 'Северный отель' (Hôtel du Nord, 1938), которая сделала ее знаменитой и сделала живой легендой Парижа. Фраза 'Atmosphère, atmosphère! Est-ce que j'ai une gueule d'atmosphère?' (Атмосфера, атмосфера! Есть ли у меня какая-то атмосфера?), которую Арлетти выкрикивает в сторону Луи Жеве, относится к числу самых знаменитых афоризмов французского кинематографа. Всего в послужном списке Арлетти - 62 роли в художественных и короткометражных фильмах, и ни одной – на телевидении. Во время оккупации она сыграла свои лучшие роли в фильмах 'Мадам Сан-Жен' (Madame Sans-Gêne, 1941), 'Вечерние посетители' (Les Visiteurs du soir, 1942) и 'Дети Райка' (Les Enfants du Paradis, 1945).
После освобождения Франции Арлетти предстала перед судом, но не из-за сотрудничества с оккупантами, а из-за романа с немецким офицером Хансом Юргеном Сорингом, с которым познакомилась в 1941 году. Ее фраза 'Мое сердце – сердце француженки, но задница – международная!' облетела весь Париж. В 1963 году Арлетти почти ослепла в результате несчастного случая и перестала появляться на сцене и экране, однако принимала участие в озвучивании и часто выступала в качестве закадрового диктора.
Актриса умерла 24 июля 1992-го, в возрасте 94 лет, в Париже.