Nato da Ottavio, politico e pedagogista romano, e dall'aristocratica Cecilia Bartolini Salimbeni, Leonardo Gigli studiò medicina e chirurgia a Firenze, nell'Istituto di studi superiori pratici e di perfezionamento. Indirizzati i suoi interessi verso la chirurgia, si laureò nel 1889. Nello stesso anno assunse l'incarico di assistente nella clinica ostetrico-ginecologica diretta da Domenico Chiara, avendo vinto il relativo concorso.