In 2001, rond de leeftijd van 5 jaar, vervoegde Leroy het jeugdteam van 'SG Wattenscheid 09'. Hij speelde er tot ergens in 2005, vooraleer hij zich dat jaar bij de jeugdacademie 'Schalke' ('Nachwuchsleistungszentrum') aansloot. Daarna, in 2008, begon hij met Bayer Leverkusen te spelen en keerde hij in 2011 terug naar 'Schalke 04'. Hij speelde voor het jeugdteam van Bayer Leverkusen tot begin 2014. Hij begon zijn senior clubcarrière met 'Schalke 04' op 21 maart 2014 en tekende een 3 jaar durend professioneel contract met de club. Het contract werd verlengd tot 30 juni 2017. Zijn debuutwedstrijd in de Bundesliga vond plaats op 20 april 2014. Hij scoorde zijn eerste doelpunt van het seizoen op 13 december 2014 tegen '1. FC Köln' en zijn eerste 'UEFA Champions League' wedstrijddoelpunt kwam tegen 'Real Madrid' op 11 maart 2015. Vervolgens tekende hij op 2 augustus 2016 een 5-jarig contract met de 'Premier League' club 'Manchester City'. Naar verluidt was de transfervergoeding 37 miljoen pond, met add-ons op basis van prestaties waardoor de vergoeding mogelijk rond de 46,5 miljoen pond.
Manchester Stad
Hij maakte zijn debuut bij de club op 10 september van dat jaar, tegen 'Manchester United' in de 'Manchester' derby. Op 18 december van dat jaar maakte hij zijn eerste doelpunt voor de club tijdens de 'Premier League' wedstrijd tegen 'Arsenal'. Hij miste het spelen in de 'FIFA Confederations Cup' van 2017, omdat hij een corrigerende ingreep moest ondergaan om zijn chronische neusverstoppingsprobleem te overwinnen. Leroy bleef goed presteren in het seizoen 2017-2018 en ontving de 'Premier League Player of the Month' award voor oktober 2017. Hij maakte deel uit van de ploeg van de club tijdens de 'FA Cup' van 2017-2018. Tijdens de finale van de 'EFL Cup' van 2018, die op 25 februari 2018 in het 'Wembley Stadion' werd gehouden, werd 'Manchester City' bekroond met 3-0 tegen 'Arsenal'. Leroy speelde 77 minuten in de wedstrijd voordat hij werd vervangen. De titel 'PFA Young Player of the Year' ging naar hem toe in 2017-2018, voor zijn bijdrage aan de titel 'Premier League' in 2017-2018 gewonnen door 'Manchester City'. Het betekende de derde 'Premier League' titel van de club. Zijn eerste 'Manchester' derby goal kwam op 24 april 2019, in een 2-0 overwinning van 'Manchester City' tegen 'Manchester United'. Hij hield een gescheurde ACL aan tijdens de wedstrijd van 2019 'FA Community Shield' tussen 'Manchester City' en 'Liverpool' op 4 augustus 2019. Hij speelde dus 13 minuten voordat hij werd vervangen. Manchester City' slaagde erin de trofee te verdedigen en won met 5-4 op strafschoppen.
Beierse Munchen
Leroy Sane verliet Man City en sloot zich aan bij Bayern München op 15 juli 2020 voor 49 m euro.