Hija de la famosa Adriana Basile y de Mutio Baroni, fue conocida a veces como ‘L'Adrianella' o ‘L'Adrianetta'. Pasó su niñez en la corte de Gonzaga en Mantua, donde su madre era una destacada cantante, y fue nombrada después de la última Duquesa de Mantua. Probablemente empezó sus estudios musicales con su madre. Dotada de una espléndida voz, se especializó como cantante, logrando pronto gran fama que incluso puso a su madre en la sombra. No sólo fue admirada por su belleza, talento artístico y estilo de su canto, sino también por sus modales refinados. Era capaz de hablar varios idiomas y escribió versos así como música. No se conoce ninguna composición atribuida a ella, pero el intérprete de viola francés André Maugars (1580-11645), que la conoció en Roma, declaró inequívocamente que ella componía.

Cuando todavía era muy joven acompañó a su madre en sus jornadas musicales, junto con su hermana Caterina Baroni. A la edad de sólo 16 años recibió la primera aclamación entusiasta en los círculos aristocráticos de Nápoles, donde la familia residió desde 1624 a 1633. En la primavera  de 1630, de nuevo con su madre, apareció en Génova e inmediatamente después en Florencia. Era por todas partes objeto de admiración y homenajes, como lo demuestran los numerosos poemas dirigidos a ella por prominentes poetas como Fulvio Testi, Francesco Bracciolini, Lelio Guidiccioni y Claudio Achillini y por nobles influyentes como  los cardenales Annibale Bentivoglio y Giulio Rospigliosi, y el Príncipe Camillo Colonna, protector de la Accademia degli Umoristi; éstos versos fueron publicados como “Applausi poetici alle glorie della Signora Leonora Baroni” (ed. F. Ronconi, Bracciano, 1639, 2ª ed. 1641).

Después que su familia se hubo trasladado a Roma en 1633, Leonora fue declarada superior a todos los otros cantantes de cámara italianos de la época. Disfrutó un éxito después de otro en las funciones musicales realizadas en su casa, acompañándose con tiorba o viola (los que tocaba perfectamente según Maugars) o actuando junto a su madre (tocando la lira) y hermana (tocando el arpa). El poeta inglés John Milton la escuchó y la admiró y en 1639 le rindió homenaje en tres epigramas latinos (Ad Leonoram Romae canentem). Su voz, refería Maugars, era ‘de una amplia extensión', y ‘ella suaviza o aumenta su volumen fácilmente'.

Único miembro femenino de la Accademia degli Umoristi, frecuentemente asistió a los salones del Palazzo Barberini, donde siempre fue recibida con entusiasmo en el círculo alrededor del Cardenal Antonio Barberini. Fue allí que conoció al secretario del Cardenal Francesco Barberini, Giulio Cesare Castellani, con quien se casó el 27 de mayo de 1640.

En febrero de 1644, a través de la mediación del Cardenal Mazarino (quién la había conocido en Roma y había quedado en gran deuda con ella por los ventajosos favores del Cardenal Antonio Barberini), Leonora Baroni recibió una oferta de la Reina Regente de Francia, Ana de Austria, de un contrato favorable invitándola junto con su marido a la corte francesa, lo que ella aceptó. Al principio no fue admirada en París, quizás porque el estilo italiano de cantar no atraía al gusto francés. Que ella logró no obstante un poco de éxito se debió principalmente a la protección benévola de la reina regente. Aun así, su estancia en París se vio nublada por envidias y celos profesionales. Partió por consiguiente para Italia el 10 de abril de 1645, llevando varias joyas preciosas que le regaló la reina, quien también le concedió una gran pensión de por vida. Podría haber vuelto después a Francia si su estado de su salud no se lo hubiera impedido.

En Roma reasumió la vida activa con la sociedad aristocrática que frecuentaba los recitales en su casa. Allí, aun después de la muerte de su marido el 4 de enero de 1662, continuó cantando y acompañándose con el laúd. Leonora mantuvo su notable reputación artística, particularmente después de la elección del Papa Clemente IX, quién como Cardenal Giulio Rospigliosi le había dedicado una vez uno de sus mejores sonetos; disfrutó al final de su vida del patrocinio y la amistad afectuosa de la familia Rospigliosi. Falleció a los 58 años de edad y fue enterrada con su marido en Santa María della Scala, en Roma.