Im Sommer 2006 nahm sie an einem Vorsingen für die dritte Staffel der Castingshow The X Factor teil. Unterstützt von ihrem Mentor Simon Cowell kämpfte sie sich ab dem 19. August 2006 durch zahlreiche Qualifikationsrunden. Schließlich setzte sie sich in der Finalshow am 16. Dezember 2006 gegen ihren Konkurrenten Raymond Quinn durch und erhielt einen mit einer Million Britischen Pfund dotierten Plattenvertrag bei Sony BMG. Von den über acht Millionen abgegebenen Stimmen entfielen 60 Prozent auf Leona Lewis.

Vier Tage nach dem Finale erschien im Vereinigten Königreich ihre Debütsingle A Moment Like This, die bereits vor Ausstrahlung des Finales eine Million Vorbestellungen erreichte. Nach der Bereitstellung zum Download einen Tag nach dem Finale wurde die Single binnen 30 Minuten 50.000 Mal heruntergeladen.