Karl Leo beschäftigt sich mit der experimentellen Festkörperphysik. Er erforscht dabei insbesondere den Transport von Elektronen in Festkörpern und die Eigenschaften organischer Halbleiter. Mit seiner Arbeitsgruppe hat Leo organische Solarzellen und extrem effiziente Leuchtdioden hergestellt. Die Forscherinnen und Forscher haben dafür organischen Halbleitern ein bestimmtes Molekül beigemischt und konnten dadurch die Leitfähigkeit etwa um den Faktor von einer Million steigern. Organische Halbleiter können wie eine dünne Farbschicht auf Glas, Kunststoff, Papier oder auch auf Kleidung aufgetragen werden. Dadurch können flexible, biegsame und transparente Elemente hergestellt werden. Möglich sind aufrollbare Displays oder aufrollbare und weitgehend durchsichtige Solarzellen.
Karl Leo studierte Physik an der Universität Freiburg und wurde 1988 an der Universität Stuttgart promoviert. Nach einem Forschungsaufenthalt in den USA und im Anschluss an seine Tätigkeit als Oberingenieur an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen habilitierte sich Leo 1993 ebendort. Seit 1993 ist er Professor für Optoelektronik an der Technischen Universität Dresden. Von 2008 bis 2013 war Leo zudem Direktor am Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme (seit 2012 Fraunhofer-Einrichtung für Organik, Materialien und elektronische Bauelemente) in Dresden. Derzeit ist Karl Leo Direktor des Instituts für Angewandte Physik der Technischen Universität Dresden.
Für seine Leistungen wurde der Physiker bereits mehrfach ausgezeichnet. So erhielt er den Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft (2002), den Manfred-von-Ardenne-Preis (2006), den Zukunftspreis des Bundespräsidenten (2011), den Technologietransferpreis der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (2016) und den Jan-Rajchman-Preis der US-amerikanischen Society for Information Display (2021). Karl Leo ist seit 2004 Mitglied der Nationalen Akademie der Wissenschaften Leopoldina in der Sektion Physik.
Der Europäische Erfinderpreis ist einer der bedeutendsten Innovationspreise in Europa. Er wird seit 2006 jährlich vom Europäischen Patentamt verliehen. Mit der Auszeichnung werden Erfinderinnen und Erfinder geehrt, die mit ihren Entwicklungen dazu beitragen, technische Antworten auf die wichtigsten Herausforderungen unserer Zeit zu finden.