Antonio Pacheco Leão nasceu no Rio de Janeiro, então capital do império. Estudou no Ginásio Nacional, ingressando em seguida na Faculdade de Medicina do Rio de Janeiro e concluindo o curso de ciências médico-cirúrgicas em 1897. Durante a faculdade, atuou como professor em colégios particulares, onde lecionou as disciplinas de história natural, matemática, francês e literatura.

Combateu no batalhão Acadêmico contra os insurgentes da Revolta da Armada (1893-1894), rebelião de altos oficiais da Marinha contra o governo de Floriano Peixoto (1891-1894).

Em 1904, foi nomeado inspetor do Serviço de Profilaxia da Febre Amarela por Oswaldo Cruz, atuando na Diretoria-Geral de Saúde Pública durante o governo de Rodrigues Alves, marcado por reformas urbanas e ações de saneamento no Rio de Janeiro. Participou de importantes campanhas sanitárias contra a peste bubônica, a malária e o beribéri. Em 1912, integrou, a convite da Superintendência de Defesa da Borracha, uma comissão coordenada pelo Instituto Oswaldo Cruz para estudar as condições sanitárias da bacia amazônica, ao lado de Carlos Chagas e João Pedroso. A expedição percorreu diversos rios da região e resultou no Relatório sobre as condições médico-sanitárias do vale do Amazonas, entregue em 1913 e assinado por Oswaldo Cruz.

Tornou-se professor substituto de História Natural e Parasitologia em 1912, sendo efetivado em 1925. Em 1915 assumiu a direção do Jardim Botânico, cargo que exerceu até 1931. Sua gestão destacou-se pelo forte incentivo à pesquisa científica, pela promoção do intercâmbio internacional e pela contratação de importantes botânicos. Estimulou expedições para coleta e identificação de espécies, ampliou o herbário e o arboreto, promoveu a permuta de publicações e materiais botânicos e criou, em 1915, o periódico Arquivos do Jardim Botânico. Também impulsionou a elaboração de um inventário da flora nacional e a criação de uma reserva florestal que daria origem à Estação Biológica de Itatiaia. Foi membro da Sociedade Nacional de Agricultura, cuja diretoria integrou em 1910, como terceiro vice-presidente, e membro honorário da Academia Nacional de Medicina. Era tio de Aristides Azevedo Pacheco Leão, presidente da ABC de 1967 a 1981. Morreu em 1931.