Leandro Castán se tornou jogador profissional pelo Atlético Mineiro em 2005, onde permaneceu até 2007. Após uma passagem pelo Helsingborgs, da Suécia, chegou ao Grêmio Barueri. Disputou em 2009 o Campeonato Brasileiro pelo time paulista, chamando a atenção da diretoria corintiana.

Foi contratado pelo Timão em 2010, onde passou a primeira temporada no banco de reservas. Com a aposentadoria do capitão William, assumiu o seu lugar na zaga corintiana. O defensor brilhou na campanha do titulo brasileiro de 2011, sendo um dos melhores jogadores do time e sendo o craque do campeonato em sua posição.

Titular absoluto, manteve as ótimas atuações e foi fundamental para a conquista da Libertadores de 2012. Foi eleito um dos melhores zagueiros da competição, convocado para a seleção brasileira e chamou a atenção dos clubes europeus. Ao todo realizou 111 partidas pelo timão marcando 2 gols.

Após o termino da competição continental, foi negociado por mais de 13 milhões de reais com o com o Roma. Titular da equipe italiana, o zagueiro vive atualmente um drama: foi submetido a uma cirurgia para a retirada de um cavernoma, má formação vascular congênita no cérebro. Recuperado, foi emprestado para Sampdoria e Torino, e na sequência Cagliari.

Com o fim do contrato em agosto de 2018, foi contratado pelo Vasco da Gama por custo zero. O jogador retomou a boa forma e fez grandes atuações pelo clube carioca, chamando a atenção novamente do Corinthians, que tentou a sua contratação, mas viu o jogador renovando o contrato com o Vasco.