Copiapoa leonensis es una especie de cactus pequeño solitario que generalmente no está ramificado, aunque a veces lo encontramos con dos o más cabezas. Los tallos tienen consistencia dura y aunque su forma es esférica, tienden a alargarse ligeramente. Miden de 3,5 a 8 cm de diámetro y la epidermis es de color verde grisáceo, la cual se vuelve rosada si se expone a la luz solar directa. Tienen el ápice plano y lanoso, y su raíz principal mide 3 cm de diámetro y 15 cm de largo. Es fuerte y se une al tallo mediante una constricción en forma de cuello.

Presenta de 11 a 16 costillas aplanadas que miden menos de 0,7 cm de alto y unos 0,8 cm de grosor. Están divididas en tubérculos redondeados que se disponen en espiral en las plantas más jóvenes. Sobre ellos se asientan areolas redondas de 0,2 a 0,3 cm de diámetro, algo hundidas y separadas unas de otras por 1 cm de distancia. Son lanosas cuando son jóvenes, pasando a ser desnudas (glabras) con la edad. Tienen espinas de color negro a gris oscuro, aciculares, generalmente rectas y de 2,5 cm de largo. Entre ellas se distinguen de 1 a 3 espinas centrales gruesas (pudiendo faltar en las areolas más viejas), y de 8 a 10 espinas radiales más delgadas dispuestas en todas direcciones.^[1]​

Las flores son diurnas, nacen en el ápice de los tallos y miden de 2 a 3 cm de largo. Son de color amarillo anaranjado, tienen forma de embudo y desprenden olor (fragantes). Se cierran por la noche y el período de apertura dura muchos días. Las brácteas presentan escamas pequeñas de color rojizo y las axilas son desnudas. Los frutos son de color rojo pálido y contienen las semillas en su interior.^[2]​

El área de distribución nativa de esta especie es el norte de Chile (concretamente en el desierto de Atacama) y crece principalmente en biomas desérticos o de matorrales secos, entre el mar y los primeros cerros costeros y hacia el interior, hasta los 970 metros de altitud.

Se desarrolla tanto en laderas de cerros arenosos como sobre suelos cascajosos cubiertos de guijarros o cantos rodados, o incluso en grietas de rocas.^[1]​

Copiapoa leonensis fue descrita por los botánicos británicos Ingrid Schaub y Ricardo Keim, y publicada por primera vez en la revista científica Cactus & Co. 10: 124 en el año 2006.^[3]​

Etimología

• Copiapoa: nombre genérico que hace referencia a la ciudad chilena de Copiapó, ubicada en el desierto de Atacama, lugar donde se encuentran la mayoría de las especies de este género.
• leonensis: epíteto geográfico que hace referencia a la Quebrada Leones (Chile), región del desierto de Atacama donde se descubrió la especie.^[4]​

En la Lista Roja de Especies Amenazadas de la UICN, la especie está clasificada como “En Peligro Crítico (CR)”.^[5]​

Las principales amenazas que sufre la especie se deben al deterioro del hábitat por efecto de la disminución en las precipitaciones por el cambio climático, la recolección ilegal, la minería y la construcción de caminos.^[2]​

Se cultiva principalmente como planta ornamental y su propagación se realiza a través de esquejes o semillas.