Fue hija ilegítima del duque Fadrique de Castilla y de Leonor Sánchez de Castilla. Por parte paterna fueron sus abuelos Enrique II de Castilla y Beatriz Ponce de León y Jérica. Por parte materna fueron sus abuelos el conde Sancho de Castilla y una dama de nombre desconocido.
Leonor de Castilla nació en 1393. Sus padres estuvieron comprometidos, aunque su matrimonio no llegó a celebrarse, ya que Fadrique de Castilla fue encarcelado en 1394 por orden del rey Enrique III de Castilla, siendo recluido en el castillo de Almodóvar del Río, donde falleció en ese mismo año.
Tras haber permanecido varios años en el convento de dominicas de Sancti Spiritus de Benavente, la madre de Leonor de Castilla se trasladó al convento de Sancti Spiritus de Toro, a fin de reformarlo, y allí falleció en 1444.