Während die Leopoldina ursprünglich vorwiegend auf Forscherinnen und Forscher aus Medizin, Lebens- und Naturwissenschaft beschränkt war, hat sie sich seit Beginn der 1990er Jahre zunehmend den empirischen Verhaltens-, Kultur-, Sozial- und Geisteswissenschaften geöffnet. Mittlerweile ist sie deutschlandweit die Akademie mit den meisten Mitgliedern, mehr als ein Viertel von ihnen kommt aus dem Ausland.

Die Leopoldina wählt jährlich etwa 50 neue Mitglieder hinzu, um ihre Mitgliedsstärke zu erhalten. Die Forscherinnen und Forscher werden ausschließlich als sogenannte ordentliche Mitglieder und auf Lebenszeit aufgenommen. Die Aufnahme erfolgt nach einer Nominierung durch Akademiemitglieder, auf die ein mehrstufiges Auswahlverfahren durch die Sektion, die Klasse und das Präsidium folgt. Die Mitglieder beteiligen sich aktiv an der Akademiearbeit, zum Beispiel indem sie an Stellungnahmen und Empfehlungen mitarbeiten, Gutachtertätigkeiten übernehmen oder an Veranstaltungen mitwirken.

Seit der Ernennung zur Nationalakademie ist die Leopoldina bestrebt, den Frauenanteil unter ihren Mitgliedern zu erhöhen. Dies ist ein kontinuierlicher und langfristiger Prozess, den die Leopoldina aktiv betreibt. Durch Zuwahlen hat sich der Anteil an Wissenschaftlerinnen unter den Mitgliedern in den vergangenen zehn Jahren von sieben auf 15 Prozent erhöht. Der Frauenanteil unter neuen Mitgliedern liegt mittlerweile bei etwa einem Drittel. Damit liegt er höher als der Anteil von Wissenschaftlerinnen an den Professuren in Deutschland, der im Jahr 2019 bei rund einem Viertel lag.