Proost a fait ses études à l'Institut Sint-Lukas à Bruxelles, où il a obtenu un diplôme en cinéma et publicité. En 1987, il a cofondé la société de production A Said Production avec sa femme, Annemie Dillet.
En 2000, Proost a réalisé son premier long-métrage, le documentaire "The Third Hotel", qui a été sélectionné à plusieurs festivals internationaux et a remporté plusieurs prix.
En 2008, il a sorti son deuxième long-métrage, la fiction "La Lente Trahison des images" (en français : La Lente Trahison des Images), qui a été sélectionné à plus de 50 festivals internationaux et a remporté plusieurs prix, y compris le prix du meilleur film belge aux Magritte Awards en 2010. Le film est une réflexion sur la manipulation des images dans les médias et leur influence sur notre perception de la réalité.
En 2013, Proost a réalisé un autre long-métrage, "L'Oeil du cyclone", qui aborde le thème de l'identité nationale belge et la relation entre les Flamands et les Wallons. Le film a été sélectionné à plusieurs festivals internationaux et a remporté plusieurs prix, y compris le Grand Prix du Jury aux Magritte Awards en 2014.
En 2019, Proost a réalisé son dernier long-métrage, "Le Voleur de l'or bleu", qui est une adaptation de la nouvelle écrite par l'auteur belge Éric Dincquet. Le film aborde le thème du crime et de la justice, et met en scène des personnages tordus dont les vies sont détruites par leur engagement dans ce monde sombre.
Léo Proost est considéré comme l'un des réalisateurs belges les plus prometteurs, et ses films ont été salués pour leur qualité technique et leur importance sociale et politique. Il continue à travailler actuellement sur de nouveaux projets cinématographiques.