Parallèlement à sa carrière théâtrale, il s'orienta vers le cinéma grâce à François Truffaut : Domicile conjugal (1970) et Claude Sautet : Max et les ferrailleurs (1971). Avoir 20 ans dans les Aurès (1972) de René Vautier le porta en haut de l’affiche. En 1983, il était consacré avec le César du meilleur acteur pour son rôle dans La balance (1982).
Son visage marqué, sa silhouette de boxeur poids moyen en firent un interprète idéal pour les films policiers ou sombres des années 1970 et 1980.
Chanteur, ses deux premiers albums à l'amour comme à la guerre et Philippe Léotard chante Léo Ferré, furent récompensés par le prix Charles-Cros. Il reçut également le Grand prix des poètes de la SACEM en 1997.
Mais, outre sa douleur intérieure, depuis son enfance, l’homme souffrait de rhumatismes articulaires aigus (maladie de Bouillaud). Est-ce à cause de cette maladie qui l’avait longtemps cloué au lit, de la réaction à son père, le politique André Léotard, son extrême sensibilité ne lui permit pas de maintenir un juste équilibre entre poésie et fanfaronnade, désenchantement et jubilation. Funambule fragile, le fil de sa vie le conduisit vers les abîmes de l’alcool et des drogues.
Provocateur, il se proclama « ministre de la Défonce » lorsque son frère cadet, François Léotard, fut nommé ministre de la Défense en 1993.
Chronique annoncée depuis longtemps, sa fuite en avant, entre éthylisme et overdoses, emporta prématurément le talent de cet amoureux de la nuit.
Dans son livre-hommage, À mon frère qui n'est pas mort, François Léotard écrivait : « ... faussaire au grand jour et tu l'étais un peu plus que d'autres, racontant la Légion où tu n'avais jamais mis les pieds, les aigles de notre grand-père qui volaient dans ta tête seule. »
Les obsèques de l’artiste « au nez rouge » eurent lieu dans la chapelle du Père-Lachaise le jour de ses soixante-et-un ans. Après la cérémonie funèbre, sa dépouille fut menée au crématorium.
Les cendres de Philippe Léotard furent inhumées au cimetière du Montparnasse où sa tombe a été modifiée en 2011.
Il était aussi, par sa mère, le petit-fils d’Ange Tomasi, pionnier de la photographie.