Po úspechu Titanicu v roku 1997 spolu s predchádzajúcimi filmami, 24-ročný DiCaprio založil v roku 1998 Leonardo DiCaprio Foundation, neziskovú organizáciu venovanú podpore povedomia o životnom prostredí. Hoci sa týka všetkých oblastí životného prostredia, zameriava sa najmä na globálne otepľovanie, zachovanie zemskej biodiverzity a podporu obnoviteľných zdrojov energie. Na projektoch pracovala vo viac ako 40 krajinách a vyprodukovala dva krátke webové dokumenty Water Planet a Global Warming.

Vzhľadom na jeho aktivity v tejto oblasti získal chválu od ekologických skupín. Medzi získanými oceneniami boli Martin Litton Environmental Award v roku 2001 od Environment Now a Environmental Leadership Award v roku 2003 z Global Green USA.

V roku 2000 predsedal národným oslavám Dňa Zeme, kde v rozhovore s prezidentom Clintonom diskutovali o plánoch na riešenie globálneho otepľovania a o životnom prostredí. V roku 2007 získal hlavnú úlohu v 11. hodina, dokumente o vzťahu ľudí k prírode a globálnemu otepľovaniu. V júli 2016 jeho nadácia získala 15 600 000 $ na ochranu voľne žijúcich živočíchov a práv domorodých Američanov a na boj proti klimatickým zmenám.

Je aktívnym zástancom mnohých ekologických organizácií a predsedal World Wildlife Fund, Global Green USA, Medzinárodného fondu pre ochranu zvierat a Natural Resources Defense Council.

Jazdí na vozidlách šetrných k životnému prostrediu, vrátane elektrického Tesla Roadsteru, Fisker Karma plug-in hybridu a Toyoty Prius. Jeho dom je vybavený solárnymi panelmi. V roku 2010 získal za jeho environmentálne dielo nomináciu na VH1 Do Something Award. V roku 2014 bol menovaný za zástupcu na summite OSN o zmene klímy.

V roku 2015 bol výkonným producentom dokumentu Cowspiracy. Film skúmal vplyv poľnohospodárstva na životné prostredie a postoj niekoľkých ekologických organizácií k tejto problematike.

V roku 2016 získal Oscara za najlepšieho herca. Na ceremoniáli využil jeho ďakovnú reč na vyjadrenie svojej vďaky a starosti o životné prostredie, keď povedal:

"Zmena klímy je skutočná, deje sa to teraz. Je to najnaliehavejšia hrozba pre celý náš druh a musíme spolupracovať. Musíme podporovať lídrov na celom svete, ktorí nezastupujú veľké korporácie a veľkých znečisťovateľov životného prostredia, ale tých, ktorí hovoria v mene ľudskosti, pôvodných obyvateľov a miliárd a miliárd chudobných ľudí, ktorých sa tieto zmeny dotknú najviac, v mene našich detí a tých, ktorých hlasy umlčala politika chamtivosti."

Za využívanie súkromných lietadiel a jácht si vyslúžil kritiku niektorých médií.V roku 2016 počas dovolenky vo francúzskom Cannes išiel súkromným lietadlom na jednodňovú návštevu New Yorku, aby si prevzal environmentálne ocenenie.