1868. július 4-én született Lancesterben, egy lelkipásztor lányaként. Középiskolai évei alatt fokozatosan elvesztette a hallását.

A radcliffe-i középiskola befejezése után 1893-ban a Harvard College Observatory-ban kezdett dolgozni, ahol „emberi számítógép”-ként alkalmazták. Feladata az volt, hogy az obszervatórium által készített fotólemezeket katalogizálják, és a rajtuk található objektumokat fényesség szerinti osztályozzák.

(Erre a monoton, unalmas munkára kizárólag nőket vettek fel, képzettségükhöz viszonyítva rendkívül alacsony fizetésért.)

Leavitt egyrészt kidolgozott egy kategorizálási rendszert, amit egészen a számítógépek alkalmazásáig használtak.

Nevéhez fűződik továbbá a változócsillagok fényességváltozási periódusa és a fényesség közötti összefüggés felfedezése (1908). Az összefüggés alkalmazásával állapítják meg a csillagászok a világegyetem távoli pontjainak távolságát. Számításai alapján bizonyították, hogy a Tejútrendszeren kívül van a többi galaxis.

1921-re, amikor Harlow Shapley vette át az obszervatórium irányítását, Leavitt lett az asztrofotometriai osztály vezetője. Azonban az év végére a rákbetegség legyőzte és meghalt. Nobel-díjra terjesztették fel, de azt posztumusz már nem kaphatta meg.