上述通り、ウルトラ兄弟と異なってM78星雲光の国ではなく獅子座L77星の出身である。L77星壊滅時、生き別れになった弟のアストラや、ペットのロンがいる。

物語開始から1か月前に故郷をマグマ星人に滅ぼされたため、故郷と瓜二つの地球にやって来て地球人おゝとりゲンとして城南スポーツセンターで働きながら生活しており、いわば宇宙の難民である。そのため、故郷や一族を失った悲しみを劇中で見せることもあった。

故郷を滅ぼされたエピソードについては、実業之日本社のこどもポケット百科『ウルトラマンvs怪獣軍団』掲載の漫画「レオの国物語」や永岡書店発行、監修・円谷プロダクション、構成・竹内博『ピコピコブックス13 輝け！ウルトラ戦士!!』等の書籍にて触れられている。

ウルトラ兄弟同様にカラータイマーを胸部に備えているが、変身後の活動時間は彼らよりも短い2分40秒[注釈 6]である。ただし、実際にカラータイマーが点滅してピンチになる演出は少ない。第50話以降はカラータイマーの点滅音が初代ウルトラマンと同じものになった。また、巨大化しなければエネルギーの消費が抑えられるため、第26話でプレッシャーによって一寸法師のような小人にされた際や、第50話でブニョから宇宙ロープで縛られて人間大のまま変身した際は、長時間レオの姿を保っていた。

第45話でのブリザードとの戦いでは、自ら体温を上昇させている。

宇宙拳法の達人であることや、他のウルトラ戦士を遥かに凌駕する高い身体能力を生かした体術で活動時間の短さを補っている。また、ウルトラセブン＝モロボシ・ダンの課す特訓や数々の戦いを経て、次第に力強い戦士となっていった。第1話でのセブン＝ダンとの初対面時に「ウルトラマンレオ」と名乗り、第38・39話でババルウ星人の策略による地球とウルトラの星の危機をアストラとともに救ったことで、正式にウルトラ兄弟の一員に迎えられた。

光線技は初期から使用していた（初使用は第8話）が、決め技になる回は少なかった。4クールの円盤生物編では光線技が決め技になることが多くなる。

腹部のシークレットサインはL77星人が使用する文字で「レオ」を意味し[24]、L77星人の証でもある。「元々レオは獅子座L77星の王子で、腹部の紋章・レオサインはその証である」[29]という公式設定が存在する。ただし、本編では言及されていない。また、両腕にはめているブレスレットはL77星の王家の印とされている。本来はレオとアストラが兄弟で1つずつ所持していたのだが、L77星が爆発する直前、建物の下敷きになって死を覚悟したアストラが形見としてレオに渡したため、今はレオが2つとも持っているのだという。