Björn Leukemans commence sa carrière professionnelle en 2000 au sein de l'équipe Vlaanderen 2002.
Il est contrôlé positif à la testostérone lors d'un contrôle antidopage réalisé à son domicile 4 jours avant les championnats du monde 2007, le 26 septembre[1]. Ce résultat, annoncé en novembre et confirmé le mois suivant par l'analyse de l'échantillon B[2], provoque son licenciement par Predictor-Lotto[3] et une suspension de deux ans prononcée en janvier 2008 par la commission disciplinaire de la Communauté Flamande[4]. Leukemans fait appel de cette sanction, plaidant sa bonne foi. Le résultat du contrôle antidopage serait dû à la prise de Prasteron sur prescription du médecin de l'équipe Predictor-Lotto - lui aussi licencié, afin de soigner une fièvre et la fatigue récurrente due au cytomégalovirus contracté en 2006[5]. Le Conseil de discipline de la Communauté flamande confirmant en appel la suspension de deux ans[6], Leukemans saisit le Conseil d'État, qui casse la décision du Conseil de discipline pour vice de procédure[7]. Ce dernier, saisi à nouveau, prononce en août une suspension de 6 mois dont 3 avec sursis, avec effet rétroactif. Dès lors, Leukemans peut reprendre la compétition[8]. Sans équipe, il prend part à quelques courses en tant que coureur élite sans contrat. Il remporte ainsi la kermesse de Buggenhout.
L'équipe Vacansoleil le recrute pour la saison 2009. Il apporte la première victoire à cette équipe en gagnant la quatrième étape de l'Étoile de Bessèges en février. Il se classe 3e du Samyn et 8e du Tour des Flandres.
En 2013, Björn Leukemans remporte à nouveau la Druivenkoers Overijse[10], sa première victoire de la saison, et rejoint ainsi Roger De Vlaeminck au palmarès des coureurs les plus titrés sur cette course (4 succès). Les deux hommes se distinguent toutefois en ce que Leukemans a remporté ses 4 succès consécutivement quand ceux de De Vlaeminck s'étalent de 1970 à 1978.
L'équipe Vacansoleil disparaît en fin de saison. Björn Leukemans rejoint en 2014 l'équipe continentale professionnelle Wanty-Groupe Gobert. Lors des classiques en avril, il est notamment cinquième de la Flèche brabançonne, neuvième du Tour des Flandres, onzième de l'Amstel Gold Race, quinzième de Paris-Roubaix. Il se classe ensuite sixième du Tour de Picardie, dixième du Tour du Luxembourg. En août, il gagne la première étape du Tour du Limousin. Il occupe la première place du classement général pendant deux jours, puis la cède à Mauro Finetto, vainqueur de la troisième étape, et termine deuxième de ce Tour du Limousin. Il obtient de nouvelles places d'honneur durant les semaines suivantes : quatrième de la Course aux raisins, neuvième de la Brussels Cycling Classic et du Grand Prix Raymond Impanis. En juin 2015, il remporte le Tour du Limbourg.
Le 29 octobre 2015, la direction de l'équipe Wanty-Groupe Gobert décide de ne pas renouveler son contrat[11]. Après avoir cherché en vain une nouvelle formation pour courir en 2016 il annonce à la fin de l'année qu'il arrête sa carrière professionnelle[12].
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