Leyla Məmmədbəyova 1909-cu il sentyabrın 9-da Bakıda anadan olub. 

Əslən Qubadan olan Leyla Məmmədbəyova ilk təhsilini Bakıda alıb. 1918-ci ildə ermənilərin azərbaycanlılara qarşı həyata keçirdikləri mart soyqırımı ərəfəsində ailəsi ilə birlikdə Həştərxanda məskunlaşıblar.

Azərbaycan Xalq Cümhuriyyəti yarandıqdan sonra Bakıya köçüblər. İlk əmək fəaliyyətinə 1930-cu ildən başlayan Leyla Məmmədbəyova sənət təhsilini Bakı aeroklubunda alıb və ilk uçuşunu 1931-ci ildə yerinə yetirib. Təhsilini 1932-ci ildən Moskvada davam etdirən L.Məmmədbəyova 1933-cü il martın 17-də Moskvanın Tuşino aerodromunda U-2 təyyarəsindən paraşüt ilə atlanaraq Sovet İttifaqının ikinci qadın paraşütçüsü olub (Nina Kamnevadan sonra). 1934-cü ildə Cənubi Qafqaz respublikaları arasında keçirilən paraşütçülər yarışında birinci yeri tutub və 1941-ci ilədək artıq aviasiya mayoru olub. Sonralar sənətini Bakı aeroklubunda müəllim kimi davam etdirib.

Yetkinlik yaşına çatmamış dörd uşaq anası (uşaqlarının sayı cəmi altı nəfər idi) mayor L.Məmmədbəyovanın Böyük Vətən müharibəsində iştirakından imtina edildi. Aeroklubun bağlanmasına görə o, desantçı və paraşütçü kurslarını tədris etməyə icazə almışdı. O, müharibə illəri ərzində yüzlərlə desantçı və 4 min paraşütçü hazırlayıb cəbhəyə yollamışdı. Onların arasında iki nəfər Sovet İttifaqı Qəhrəmanı adına layiq görülüb. L.Məmmədbəyova təyyarəçi karyerasını 1949-cu ildə son uçuş ilə başa çatdırıb, sonralar OADKYC-nin Bakı filialında sədr müavini kimi çalışıb. 1961-ci ildə təqaüdə çıxıb. Leyla Məmmədbəyova 1989-cu ilin iyulunda vəfat edib və II Fəxri Xiyabanda dəfn olunub.