Léonie Martin est née dans une famille aisée d'Alençon. Elle est la quatrième des sept enfants de Isidore Martin, propriétaire d'une manufacture de dentelles et de Alphonsine Le Roy. À l'âge de dix-sept ans, elle entre à l'Institut Notre-Dame d'Alençon où elle prend le nom de Léonie Aloysie. Elle y reste sept ans avant de revenir dans sa famille et de travailler comme institutrice à Saint-Louis-du-Ha!.
En 1890, elle rencontre Marie-Bernarde SoubIRan qui lui raconte les apparitions mariales qu'elle a eues depuis 1878. Léonie Martin se convertit et devient une membre active du cercle SoubIRan. En 1894, Marie-Bernarde reçoit sa propre vision de l'Annonciation. Elle demande alors à Léonie Martin d'écrire un livre sur ces événements qui aboutira à "Le Journal de Marie-Bernarde SoubIRan", publié en 1904.
En 1897, Léonie Martin rejoint la communauté de l'Ouest, fondée par Louis-Marie Guignard et Marie-Thérèse Guignard (en), dans le quartier des Bruyères à Fourches dans la banlieue ouest de Paris. Elle est la première à y devenir religieuse. Elle prend alors le nom de Léonie-Martin de la Nativité de Notre-Dame. La communauté, qui était une branche de l'Institut du Saint Sacré-Cœur de Jésus et de la prière perpetuelle, sera plus tard connue sous le nom d'Institut des Filles du Cœur Immaculé de Marie (FICIM).
Léonie Martin reçoit sa propre vision mariale en 1904. Elle obtient l'approbation officielle de l'Église catholique romaine et est reconnu comme la première seule femme à recevoir une apparition mariale approuvée après Marie de la Miséricorde.
Elle a également écrit plusieurs livres, dont les trois volumes de son autobiographie, "Ma vie", ainsi que des livres sur la spiritualité tels que "La vie intérieure" et "Le Christ dans notre cœur". Elle est également connue pour avoir écrit le premier livre sur l'enfant prodigue en 1928.
Léonie Martin a été béatifiée par Jean-Paul II le 17 mars 1984, et canonisée par Benoît XVI le 16 octobre 2015. Elle est fêtée le 25 janvier.