Το 2001, σε ηλικία περίπου 5 ετών, ο Leroy εντάχθηκε στην ομάδα νέων της "SG Wattenscheid 09". Έπαιξε εκεί μέχρι κάποια στιγμή το 2005, πριν ενταχθεί στην ακαδημία νέων της Σάλκε ("Nachwuchsleistungszentrum") την ίδια χρονιά. Στη συνέχεια, το 2008, άρχισε να παίζει με την Bayer Leverkusen και επέστρεψε στη "Schalke 04" το 2011. Έπαιξε στην ομάδα νέων της μέχρι τις αρχές του 2014. Ξεκίνησε την καριέρα του στην ανώτερη ομάδα της 'Schalke 04' στις 21 Μαρτίου 2014, υπογράφοντας τριετές επαγγελματικό συμβόλαιο με τον σύλλογο. Το συμβόλαιο επεκτάθηκε μέχρι τις 30 Ιουνίου 2017. Το ντεμπούτο του στην 'Bundesliga' πραγματοποιήθηκε στις 20 Απριλίου 2014. Σκόραρε το πρώτο του γκολ στη σεζόν στις 13 Δεκεμβρίου 2014, εναντίον της '1. FC Köln', ενώ το πρώτο του γκολ σε αγώνα 'UEFA Champions League' σημείωσε εναντίον της 'Real Madrid', στις 11 Μαρτίου 2015. Στη συνέχεια, υπέγραψε 5ετές συμβόλαιο με τον σύλλογο της 'Premier League', 'Manchester City', στις 2 Αυγούστου 2016. Σύμφωνα με πληροφορίες, το ποσό της μεταγραφής ήταν 37 εκατομμύρια λίρες, με προσαυξήσεις ανάλογα με την απόδοση που ενδεχομένως να κάνουν το ποσό γύρω στα 46,5 εκατομμύρια λίρες.
Μάντσεστερ Σίτι
Έκανε το ντεμπούτο του με τον σύλλογο στις 10 Σεπτεμβρίου του ίδιου έτους, στο ντέρμπι του Μάντσεστερ με τη Μάντσεστερ Γιουνάιτεντ. Στις 18 Δεκεμβρίου της ίδιας χρονιάς, πέτυχε το πρώτο του γκολ με την ομάδα κατά τη διάρκεια του αγώνα της 'Premier League' με την 'Arsenal'. Δεν κατάφερε να αγωνιστεί στο 'Κύπελλο Συνομοσπονδιών της FIFA' το 2017, καθώς έπρεπε να υποβληθεί σε διορθωτική επέμβαση για να ξεπεράσει το χρόνιο πρόβλημα ρινικής συμφόρησης. Ο Λερόι συνέχισε να έχει καλές επιδόσεις τη σεζόν 2017-2018 και έλαβε το βραβείο του παίκτη του μήνα της 'Premier League' για τον Οκτώβριο του 2017. Ήταν μέλος της ομάδας του συλλόγου κατά τη διάρκεια του 'FA Cup' της περιόδου 2017-2018. Στον τελικό του 'EFL Cup' του 2018, ο οποίος διεξήχθη στις 25 Φεβρουαρίου 2018 στο 'Wembley Stadium', η 'Manchester City' κατέκτησε το τρόπαιο με σκορ 3-0 επί της 'Arsenal'. Ο Leroy έπαιξε 77 λεπτά στον αγώνα πριν αντικατασταθεί. Ο τίτλος 'PFA Young Player of the Year' του απονεμήθηκε το 2017-2018, για τη συμβολή του στην κατάκτηση του τίτλου της 'Premier League' από τη 'Manchester City' το 2017-2018. Σηματοδότησε τον τρίτο τίτλο 'Premier League' του συλλόγου. Το πρώτο του γκολ σε ντέρμπι του 'Μάντσεστερ' σημειώθηκε στις 24 Απριλίου 2019, στη νίκη της 'Μάντσεστερ Σίτι' με 2-0 επί της 'Μάντσεστερ Γιουνάιτεντ'. Υπέστη ρήξη χιαστού κατά τη διάρκεια του αγώνα 'FA Community Shield' του 2019 που διεξήχθη μεταξύ της 'Manchester City' και της 'Liverpool' στις 4 Αυγούστου 2019. Έπαιξε έτσι για 13 λεπτά πριν αντικατασταθεί. Η 'Manchester City' κατάφερε να υπερασπιστεί το τρόπαιο, κερδίζοντας με 5-4 στα πέναλτι.
Μπάγερν Μούνχεν
Ο Leroy Sane άφησε τη Man City και εντάχθηκε στη Μπάγερν Μονάχου στις 15 Ιουλίου 2020 έναντι 49 εκατομμυρίων ευρώ.