Nacida en Weimar, era la tercera de los cinco hijos nacidos del matrimonio entre el duque Juan Ernesto II de Sajonia-Weimar y Cristina Isabel de Schleswig-Holstein-Sonderburg.
En Weimar el 9 de julio de 1684 Leonor Sofía se casó con el Príncipe Felipe de Sajonia-Merseburgo, tercer hijo superviviente del Duque Cristián I.
Poco después de la boda, él recibió la ciudad de Lauchstädt como su infantazgo, y tomó su residencia ahí.
El matrimonio produjo dos hijos, ninguno de los cuales alcanzó la edad adulta:[1][2] Leonor Sofía murió en Lauchstädt a la edad de 26 años, ocho días después del nacimiento de su hijo, probablemente por complicaciones de parto.
Fue enterrada en la Catedral de Merseburgo.