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En 2018, Leclerc fait ses débuts en monoplace où il court dans le championnat de France F4. Il remporte deux victoires et monte huit fois sur le podium. Grâce à cela, il a terminé cinquième du championnat.
Leclerc occupe le poste de pilote de développement dans le championnat du monde de Formule E au cours de la saison 2017-2018 pour Venturi Racing, ayant ainsi accès aux simulateurs et aux systèmes de développement personnel de l'écurie. Leclerc est ensuite retenu pour la saison 2018-2019. Leclerc effectue son premier test public pour Venturi lors du test des recrues de cette même saison sur le circuit urbain de Marrakech. Pour la saison 2019-2020, Leclerc est à nouveau retenu comme pilote d'essai chez Venturi.
En 2021, Leclerc est promu en Formule 3 FIA. Toujours chez Prema Racing, il fait équipe avec Dennis Hauger, membre du Red Bull Junior Team, et Olli Caldwell. Il remporte sa première victoire lors de la deuxième course du Castellet marquant également ses premiers points de la saison puis une deuxième lors de la manche de Zandvoort. Il décroche également un troisième podium au Hungaroring avec une seconde place à l'arrivée après avoir décroché la pole position. Il termine sa première saison en Formule 3 à la dixième place du classement avec un total de 79 points.
Il continue sa collaboration avec Prema l'année suivante pour une deuxième saison. Il fait cette fois équipe avec Jak Crawford et Oliver Bearman. Il remporte la course principale de Silverstone et monte sur le podium à Bahrein. Il se montre plus régulier qu'en 2021 et se classe sixième du championnat avec 114 points.
En 2023, Leclerc est promu en Formule 2. Il rejoint l'écurie DAMS où il fait équipe avec le japonais Ayumu Iwasa. Il monte sur son premier podium lors de la course principale de Melbourne.