El acto religioso se celebró en el madrileño Palacio de La Zarzuela, con los reyes Juan Carlos y Sofía como padrinos. Como en anteriores bautizos de la familia Real, la ceremonia se realizó en el ámbito familiar, aunque en esta ocasión, por tratarse de una futura reina de España, asistió una representación de las más altas instituciones del Estado. El acto religioso fue oficiado por el arzobispo de Madrid, el cardenal Antonio María Rouco Varela, ayudado por el arzobispo castrense, Francisco Pérez González. Leonor, como es tradición, fue bautizada en la pila bautismal de Santo Domingo de Guzmán, una reliquia románica del siglo XII de piedra blanca y adornos de plata, que desde tiempos de Felipe IV, antes de que llegara a España la dinastía Borbón, se utiliza en los bautizos reales.

Otra tradición fue el agua utilizada, la cual procedía del río Jordán y fue enviada a España desde Tierra Santa por los frailes franciscanos que custodian los santos lugares. La Infanta iba vestida con un faldón de cristianar, el mismo que llevaron su abuelo, el rey; su padre, el Príncipe de Asturias; sus tías, Elena y Cristina, y los seis hijos de éstas.