Como outros aminoácidos, faz parte das proteínas importantes para as células. A leucina faz parte do subconjunto de aminoácidos de cadeia ramificada (em inglês denominados BCAA – Branched-Chain Amino Acids). Estes aminoácidos servem como substratos para sintetizar vários outros metabolitos. Por exemplo, a leucina é um precursor de álcoois e outros compostos que melhoram as qualidades organolépticas dos frutos. Nas situações de stress abiótico, as plantas produzem um grande número de aminoácidos de cadeia ramificada (valina, isoleucina etc.), que são usados pela planta para sintetizar as proteínas de resposta ao stress. Por exemplo, um estudo conduzido pelo grupo para Arabidopsis (Nambara et al., 1998), mostra que a concentração de leucina aumenta até 150 vezes nas condições de seca.