Karl Leo studierte Physik in Freiburg und Stuttgart. Von 1989 bis 1991 war er an den AT&T Bell Labs und von 1991 bis 1993 an der RWTH Aachen. Seit 1993 ist er Professor für Optoelektronik an der TU Dresden. Seine Hauptinteressen gelten neuartigen Halbleitern. Als Preise erhielt er u.a. Leibniz-Preis (2002), Zukunftspreis des Bundespräsidenten (2011), Lifetime Inventor Award des Europäischen Patentamts (2021). Er ist Mitgründer mehrerer Unternehmen, darunter Novaled und Heliatek.