Walter Leistikow, einer der wenigen Vertreter des Jugendstils in der deutschen Malerei der Jahrhundertwende, begann seine künstlerische Ausbildung 1883 an der Königlichen Akademie in Berlin. Es wird angenommen, dass er nach einem halben Jahr wegen „Talentlosigkeit“ wieder entlassen wurde.
Anschließend nahm er Privatunterricht bei Hermann Eschke (1823-1900). Ab 1885 bei Hans Fredrik Gude (1825-1903).
1890 nahm er für drei Jahre eine Dozentenstelle an der Kunstschule in Berlin an.
Zeitgleich lernte er dort Lovis Corinth (1858-1925) kennen. Mit ihm sollte ihn eine lebenslange Freundschaft verbinden, sodass Corinth sein Biograf werden sollte.
Auch verkehrte er in dieser Zeit im Friedrichshagener Kreis der jungen literarischen Avantgarde um Gerhart Hauptmann (1862-1946), mit dem er ebenfalls befreundet war.
1892 war er einer der Mitbegründer der oppositionellen Künstlervereinigung der XI. Ein Verbund von Künstlern, der neben der Münchner Sezession die wichtigste sich vom bestehenden Kunstmarkt emanzipierende Künstlervereinigung Deutschlands darstellte und das Ziel hatte die eigenen, dem Kunstbetrieb nicht zugänglichen Werke der Öffentlichkeit zu präsentieren und zu verkaufen.
Auch trat er der Münchner Sezession bei.
Nach einer Paris-Reise 1893 heiratete er im Folgejahr Anna Mohr, die ihm die skandinavische Landschaft und Kultur näher brachte. Gemeinsam verbrachten sie bis 1906 jeden Sommer in Skandinavien.
1898 gründete er unter anderem mit Max Liebermann (1847-1935) die Berliner Secession, deren Folge die Auflösung der Künstlervereinigung der XI auf Grund von, zur Secession wechselnden Mitgliedern war. Ihr stand er bis zu seinem Tod vor.
1900 unternahm er eine Reise nach Italien und besuchte dort den Künstler Arnold Böcklin (1827-1901) in Fiesole.
Drei Jahre später war er einer der Mitbegründer des Deutschen Künstlerbundes.
1904 erkrankte er an Syphilis und reiste für einen Sanatoriumsaufenthalt nach Meran.
Nach seiner Rückkehr wurde er 1907 zum Königlich Preußischen Professor ernannt.
1908 musste er erneut ein Sanatorium besuchen, in Schlachtensee. Da seine Krankheit keine Heilung versprach, nahm er sich dort selbst das Leben.

Künstlerisch startete er bei einer von Andreas Achenbach (1815-1910) geprägten Landschaftsmalerei der Düsseldorfer Schule, die ihm sein Lehrer Gude vermittelte.
In den 1890er Jahren kamen immer mehr naturalistische Elemente hinzu und zum Ende dieses Jahrzehnts hatte er seinen persönlich Landschaftsstil entwickelt. Majestätisch langgestreckte Naturschilderungen, die in der Mark Brandenburg und der Umgebung Berlins angesiedelt waren. Besonders beliebt waren hierbei Darstellungen aus Grunewald. Besonders bekannt war er für seine Seenlandschaften.
In seinem Spätwerk wurden seine Arbeiten impressionistischer.
Ein Spannungsfeld zwischen Realismus und Impressionismus macht sein Werk aus.
Zwischen 1897-1902 beschäftigte er sich neben der Malerei mit der Gestaltung kunsthandwerklicher Objekte, bei denen er durch den Jugendstilmaler Otto Eckmann (1865-1902) angeregt wurde. Nordische Motive und florale Rapporte sind hier vorherrschend.
Als einer der einflussreichsten Personen in der Berliner Kunstszene um 1900 trat er unter anderem als Kunstkritiker auf und machte sich für die Emanzipation der Avantgarde stark.