Fue hijo del tipógrafo, pintor y apasionado de la literatura, Francisco Díaz de León, cuya influencia fue determinante en su formación artística. Emprendió sus estudios formales de pintura hacia 1915 y dos años más tarde, en la Escuela Nacional de Bellas Artes, cuando era director el doctor Atl. Con José Escobedo, Alfaro Siqueiros y José de Jesús Ibarra fundó el grupo 30-30, que organizó la primera Convención Artística Revolucionaria, inconforme con la corriente academicista apoyada por el grupo conservador. El movimiento no fructificó al ser destituido el doctor Atl y cerrada la escuela. Díaz de León fue uno de los primeros alumnos de la Escuela al Aire Libre de Chimalistac dentro del movimiento pictórico renovador, presentando sus obras por las calles de la ciudad: en la Alameda, Tlalpan, Santa María y otros sitios. En 1922 tomó clases de grabado en madera con Jean Charlot y desde entonces se dedicó a practicarlo y a impulsar su artesanía. Estudió idiomas en la Escuela de Altos Estudios. Encaminó su actividad profesional a la docencia, la edición de publicaciones y en menor medida a la literatura. Fue profesor de Grabado en la Academia de Bellas Artes (1920-1925), director de la Escuela de Pintura al Aire Libre de Tlalpan (1925-1933); creador del Taller de Grabado, junto con Carlos Alvarado Lang, para adiestrar a los jóvenes en las técnicas en metal y en madera; quizá esto dio pie a la Escuela de Artes del Libro (más tarde nombrada Escuela de Artes Gráficas), que fundó en 1938 y dirigió hasta 1956. Su trabajo editorial adoptó dos vertientes: la edición de libros y la publicación de grabados, dibujos y litografías en publicaciones periódicas y libros. Se inició como director de ediciones y proyectos tipográficos en 1928; coordinó las ediciones de Bellas Artes, en 1934. Entre las publicaciones más importantes que tuvo a su cargo está Veinte años de arte mexicano, en el que aplicó la técnica de formato fotolítico. Fue dibujante para la revista Pegaso (1917), publicó estampas en Forma, revista de artes plásticas (1926). Fue caricaturista del Diario de Yucatán durante algunos meses y director artístico de la revista Mexican Art & Life (1937-1940). Presentó la primera muestra de sus grabados en 1934, en la Sala de Arte de la Secretaría de Educación Pública (sep), que tuvo a su cargo junto con Gabriel Fernández Ledesma desde 1931.

A Francisco Díaz de León se debe, en gran parte, el resurgimiento de las técnicas de punta seca, aguafuerte, aguatinta y madera, así como el cuidadoso diseño y acabado de infinidad de publicaciones. Su labor como director de ediciones marcó una etapa en el trabajo editorial, por las técnicas que introdujo y por la preocupación de darle al libro una mejor presentación. Dentro de las letras cultivó el cuento y el ensayo. Su obra cuentística la realizó en su juventud, son relatos breves para niños en donde recrea a la naturaleza. Como muestra de su ingenio y humor está el corrido-prólogo al libro de Antonio Acevedo Escobedo, ¡Ya viene Gorgonio Esparza! El matón de Aguascalientes. Entre sus ensayos destaca Gahona y Posada, grabadores mexicanos, estudio sobre Gabriel Gahona "Picheta", quien retrató la vida urbana de su época y José Guadalupe Posada, creador de formas populares, que reúne los datos biográficos, las anécdotas y la reconstrucción de la labor de ambos artistas como ilustradores de una época.