Leo de Ball wurde am 23. November 1853 in Lobberich im Rheinland geboren. Seine Eltern besaßen eine Samtfabrik, und so wuchs er wohlbehütet auf und genoß eine ausgezeichnete Erziehung. In Berlin und Bonn studierte er unter anderem bei Weierstraß, Helmholz, Clausius und Lipschitz. Daneben hörte er zoologisch-botanische sowie auch chemische Vorlesungen.
Am 3. Februar 1877 wurde er promoviert, zwei Jahre später legte der die Lehramtsprüfung für Mathematik und Physik ab. Im November 1878 wurde de Ball Assistent an der herzoglichen Sternwarte in Gotha, später an der Privatsternwarte des Kammerherrn v. Bülow in Bothkamp, wo ihm die Entdeckung des Kleinplaneten (230) Athamantis gelang.

1883 trat de Ball eine Stelle an der Sternwarte in Ougrèe bei Lüttich unter Prof. Floie an. Acht Jahre hindurch beschäftige er sich mit Doppelsternmessungen, Parallaxenmessungen, Meridiankreisbeobachtungen und theoretischen Arbeiten, meist himmelsmechanischer Natur.
Als 1891 die neue Sternwarte in Uccle bei Brüssel vollendet war und Folie dort Direktor wurde, übersiedelte de Ball mit ihm nach Brüssel. Das königliche Anstellungsdekret war bereits ausgefertigt, als er den Ruf von Kuffners nach Wien erhielt.

Die nächsten 25 Jahre (!) war de Ball zweiter Direktor der Kuffner-Sternwarte, und Wien wurde ihm eine zweite Heimat. In diesen Jahren veröffentlichte er einige bedeutende Werke, darunter neue Refraktionstafeln (1906) und ein Lehrbuch der sphärischen Astronomie (1912).

Unerwartet verstarb de Ball am 12. Dezember 1916 an den Folgen einer plötzlichen Erkrankung.