Leif Segerstam lõpetas 1964. aastal muusikaõpingud New Yorgis Julliardis, pärast mida sai Segerstamist Soome rahvusooperi ja Stockholmi kuningliku ooperi peadirigent.
Aastatel 1970 kuni 1972 oli ta Stockholmi kuningliku ooperi peadirigent, 1973 kuni 1974 Soome rahvusooperi direktor, hiljem ka Viini raadio sümfooniaorkestri peadirigent, Soome raadio sümfooniaorkestri peadirigent, Rheinland-Pfalzi filharmoonia peadirigent ning aastast 1988 Taani raadio sümfooniaorkestri peadirigent.
Sügisest 1995 kuni 2001. aastani oli ta uuesti Stockholmi kuningliku ooperi peadirigent, 1995–2007 Helsingi linnaorkestri peadirigent ja alates sügisest 2007 emeriitpeadirigent.
Alates 1997. aastast oli Leif Segerstam Sibeliuse akadeemias orkestrijuhtimise professor, tema õpilane on olnud ka Mikk Murdvee.
Tuntud oma ekstravagantse isiksuse poolest, suutis ta võluda nii orkestreid kui ka publikut. Londonis dirigeeris ta Londoni filharmooniaorkestrit, tehes omale nime ka Kopenhaagenis ja Viinis.
Segerstam kirjutas kokku 371 sümfooniat, ehkki neist vähesed jõudsid lavale.
Leif Segerstam näitas kogu oma karjääri vältel üles erakordset loomingulisust heliloojana ja lisaks uskumatule hulgale sümfooniatele valmis tema käe all ka suur hulk kontserte keelpillikvartetile, viiulile ja klaverile, lisaks kammer- ja vokaalmuusikat. Eriti tähelepanuväärne on tema hilisemate sümfooniate vabas pulsatsioonis Rosenkranzi-vorm, mida esitatakse ilma dirigendita.
Segerstami kontsert oli alati elamus, mitte kunagi etteaimatav. Ta oli üllatavalt erakordne Brahmsi teoste tõlgendaja ning Brahmsi ja Sibeliuse teosed olid tema tõlgenduses eriliselt meeldejäävad. Tema suur isiksus ja aval sõnakasutus varjutasid sageli tema haruldasi muusikalisi andeid.