În 2001, în jurul vârstei de 5 ani, Leroy s-a alăturat echipei de tineret a lui SG Wattenscheid 09. A jucat acolo până undeva în 2005, înainte de a se alătura în acel an Academiei de tineret a lui "Schalke" ("Nachwuchsleistungszentrum"). Ulterior, în 2008, a început să joace la Bayer Leverkusen și a revenit la "Schalke 04" în 2011. A jucat pentru echipa sa de tineret până la începutul anului 2014. Și-a început cariera la seniori la 'Schalke 04' la 21 martie 2014, semnând un contract profesionist de 3 ani cu clubul. Contractul a fost prelungit până la 30 iunie 2017. Meciul său de debut în 'Bundesliga' a avut loc la 20 aprilie 2014. A marcat primul său gol al sezonului la 13 decembrie 2014, împotriva lui '1. FC Köln', iar primul său gol în meciul din 'UEFA Champions League' a fost marcat împotriva lui 'Real Madrid', la 11 martie 2015. Ulterior, a semnat un contract pe 5 ani cu clubul din 'Premier League' 'Manchester City', la 2 august 2016. Se pare că taxa de transfer a fost de 37 de milioane de lire sterline, cu adaosuri în funcție de performanță, ceea ce ar putea face ca suma să fie de aproximativ 46,5 milioane de lire sterline.
Manchester City
A debutat la club pe 10 septembrie în acel an, împotriva lui "Manchester United", în derby-ul "Manchester". Pe 18 decembrie același an, a marcat primul său gol pentru club în timpul meciului din 'Premier League' împotriva lui 'Arsenal'. El a ratat participarea la 'Cupa Confederațiilor FIFA' din 2017, deoarece a trebuit să fie supus unei intervenții chirurgicale corective pentru a depăși problema sa cronică de congestie nazală. Leroy a continuat să aibă performanțe bune în sezonul 2017-2018 și a primit premiul de "Jucătorul lunii în Premier League" pentru luna octombrie 2017. El a făcut parte din echipa clubului în timpul ediției 2017-2018 a 'FA Cup'. În finala 'EFL Cup' 2018, care a avut loc la 25 februarie 2018, pe 'Wembley Stadium', 'Manchester City' a câștigat trofeul prin scorul de 3-0 împotriva lui 'Arsenal'. Leroy a jucat 77 de minute în acest meci înainte de a fi înlocuit. Titlul de 'Tânărul jucător al anului' al PFA i-a revenit în 2017-2018, pentru contribuția sa la câștigarea titlului de 'Premier League' 2017-2018 de către 'Manchester City'. Acesta a marcat cel de-al treilea titlu de 'Premier League' al clubului. Primul său gol în derby-ul 'Manchester' a fost marcat la 24 aprilie 2019, în victoria cu 2-0 a lui 'Manchester City' împotriva lui 'Manchester United'. A suferit o ruptură a ligamentului încrucișat anterior în timpul meciului 'FA Community Shield' din 2019, desfășurat între 'Manchester City' și 'Liverpool', la 4 august 2019. El a jucat astfel timp de 13 minute înainte de a fi înlocuit. 'Manchester City' a reușit să își apere trofeul, câștigând cu 5-4 la penalty-uri.
Bayern Munchen
Leroy Sane a plecat de la Man City și s-a alăturat lui Bayern Munchen 15 iulie 2020 pentru 49 de milioane de euro.