Karl Eduard Leo wird als 7. Kind des Ehepaars Carl Julius Eduard Ubbelohde (geb. 1827 in Hannover, gest. 1894 in Westercelle) und Johanna Friederike Karoline Charlotte Philippine Wilhelmine Emilie, genannt Amelie, geb. Poppe (geb. 1844 in Neustadt. Hachmühlen, gest. 1938 in Berlin/Charlottenburg) am 4. Januar 1876 in Hannover geboren.
Sein Vater war Jurist und Rechtsanwalt, seine Mutter eine der ersten Unternehmerinnen und Patentinhaberinnen ihrer Zeit.
Er wuchs in Hannover und Celle/Westercelle auf.
Seine Kindheit und Jugend wurde in den 1880´er Jahren durch die beruflichen Fehlkalkulationen seiner Eltern und die darauf folgenden familiären Turbulenzen mitgeprägt. In den Jahren 1882 bis 1883 meldete die von den Eltern begründete „AG Hannoversche Torfwerke“ die Zahlungsunfähigkeit an. Sein Vater Eduard Ubbelohde, musste in diesem Zusammenhang seine erfolgreiche Kanzlei in Hannover aufgeben und verlor seinen Anspruch auf eine Stellung als Notar.
Im Jahre 1884 trennten sich seine Eltern für mehrere Jahre. Sein Vater zog nach Celle, die Stadt seiner Kindheit, wo er sich und seinen älteren Kindern den Haushalt von seiner Schwiegermutter führen ließ. Am dortigen Oberlandesgericht baute er sich eine neue berufliche Existenz auf. Seine Mutter zog mit den jüngeren Kindern, zur Betreuung ihrer wirtschaftlichen Unternehmen, nach Neustadt a. Rbge., bevor sie 1890 nach Celle/Westercelle zurückkehrte.
Leo Ubbelohde besuchte in Celle das Gymnasium. Er zeigte früh eine große Begabung für technisch-wissenschaftliche Aufgaben. Es wird berichtet, dass er große Lust und Anlage zu technischen Arbeiten zeigte. Nach dem Maturitätsexamen wollte er eine technische Hochschule besuchen.
Am 10. Mai 1894 starb sein Vater. Dies entzog der Familie die finanzielle Basis. Oft fehlte sogar das Geld für das Essen. Fortan sorgte sich seine Mutter Amelie für das wirtschaftliche Auskommen der Familie. Sie entwickelte ihre unternehmerischen Ideen weiter und suchte erfolgreich einen Financier für den Bau einer Torfverwertungsanlage/Pappenfabrik in den Niederlanden. In die Planung und Umsetzung flossen die langjährigen Erfahrungen der Mutter in Torfunternehmen ein.
Seit 1897 war Leo bei der Technischen Hochschule in Charlottenburg/Berlin eingeschrieben. Seine Hochschullehrer sind hier die Professoren Landolt, Emil Fischer und Wichelhaus.
Ab 1898 überwachte er neben dem Studium den Bau der Torffabrik in der Nähe von Groningen, Niederlande. Die Produktion der Anlage begleitete er bis zum Ausbruch des ersten Weltkrieges im Jahre 1914. Seine Neuerungen für die dortigen Maschinen und Produktionsverfahren ließ er sich patentieren. Die Beschäftigung mit Faserstoffen blieb auch später ein Schwerpunktgebiet seiner wissenschaftlichen Forschungen als Professor in Karlsruhe.
Nach dem Studium war er zunächst in der Industrie tätig,
1903 wurde er Assistent am königlichen Materialprüfungsamt in Berlin-Großlichterfelde in der von D. Holde geleiteten „Ölabteilung“. In den drei Jahren seiner dortigen Tätigkeit veröffentlichte er eine Reihe von Arbeiten aus dem Forschungsbereich der Öle und Fette. Hervorzuheben sind grundlegende Arbeiten zum Tropfpunkt und über kontinuierliche Destillation. Er entwickelte seine Formel zur Umwandlung konventioneller Viskositätszahlen in spezifische Zähigkeiten und die Tabellen zum Englerschen Viskosimeter.
Diese Arbeiten veranlassten vermutlich den damals führenden Wissenschaftler im Bereich der Mineralölforschung, Prof. Dr. Carl Engler, Leo Ubbelohde im Frühjahr 1907 an die Karlsruher Technische Hochschule zu holen, damals ein Zentrum der chemischen Forschung.
Im Herbst 1907 wurde Leo Ubbelohde auf dem Internationalen Erdölkongress in Bukarest zum Generalsekretär der unter seiner Mitwirkung gegründeten „Internationalen Petroleum Kommission“ ernannt. Diese erhielt ihren Sitz in Karlsruhe.
Er wurde im Folgenden Abteilungsleiter im Technischen Chemischen Institut unter der Leitung von Prof. Dr. Hans Bunte.
1910 habilitierte er für Technische Chemie an der Technischen Hochschule Karlsruhe und wurde 1911 zum ordentlichen Professor ernannt.
Während des ersten Weltkrieges stand die chemische Forschung unter dem Einfluss der Mangelwirtschaft. Im Jahre 1915 gründete Leo Ubbelohde an der Technischen Hochschule Karlsruhe die „Forschungsstelle für Textilersatzstoffe“, die 1917 zum „Deutschen Forschungsinstitut für Textilstoffe“ als Körperschaft des öffentlichen Rechts weitergeführt wurde und unter seiner wissenschaftlichen Leitung neuartige Fasern entwickelte.
Im Jahre 1923 heiratete Leo Ubbelohde Ingeborg Anna Leonore, geb. Zuckermandel (geb. 1901 in Berlin, gest. 1986 in Rio de Janeiro). Aus der Ehe gingen zwei Kinder hervor. Die Ehe wurde 1932 geschieden.
1933 wurde Leo Ubbelohde Ordinarius für technische Chemie und Direktor des Technischen Chemischen Instituts. Das Institut wurde mit ihm als Technische Hochschule nach Berlin verlegt.
Noch im selben Jahr wurde auf seine Initiative hin die „Deutsche Gesellschaft für Erdölforschung“, später „Deutsche Gesellschaft für Mineralölforschung“ gegründet, welche er bis 1938 als Präsident leitete. In dieser Zeit führte er auf den Welt-Petroleum-Kongressen in London (1933) und in Paris (1937) die deutsche Delegation an.
1936 heiratete er seine zweite Frau Anna, geb. Baehr.
Im Jahre 1940 wurde er emeritiert.
Das Berliner Institut wurde durch Kriegseinwirkungen zerstört. Leo Ubbelohde arbeitete im Folgenden an der Weiterentwicklung seiner wissenschaftlichen Themen.
Am 28. Februar 1964 starb Leo Ubbelohde in Düsseldorf.