Leclerc fez uma volta sob os holofotes de Yas Marina com um tempo de um minuto e 24,809 segundos, 0,043 mais rápido que Lando Norris, da McLaren.
Numa sessão nocturna interrompida por dois períodos de bandeiras vermelhas, o triplo campeão mundial da Red Bull, Max Verstappen, foi apenas o terceiro mais rápido e queixou-se de que o seu carro estava "a saltar como um canguru".
O carro de Sainz foi destruído em Las Vegas no último fim de semana, por uma tampa de drenagem solta nos treinos, mas desta vez ele bateu nas barreiras na curva três, culpando um solavanco e o ar sujo de um carro na frente que causou uma quebra maciça.
O carro sofreu danos nos sidepods, piso e suspensão traseira com o nariz e asa dianteira esmagados.
A sessão foi retomada após um atraso de quase meia hora, mas foi interrompida novamente quando Nico Hulkenberg bateu com o seu Haas nas barreiras na curva um.
Verstappen fez então algumas ultrapassagens agressivas na via das boxes para entrar em pista à frente dos dois pilotos da Mercedes para a última sessão.
Valtteri Bottas foi quarto para a Alfa Romeo, à frente de Sergio Perez, da Red Bull, agora seguro do segundo lugar geral no campeonato, e de George Russell, da Mercedes, que tinha sido o mais rápido da tarde.
A primeira sessão de treinos livres, pouco representativa, viu metade da grelha ser substituída por 10 jovens aspirantes, uma vez que as equipas cumpriram as suas obrigações de dar tempo de pista aos pilotos estreantes.
Verstappen e o colega de equipa Pérez ficaram de fora da sessão pouco representativa, com o campeão de Fórmula E Jake Dennis e o piloto francês de F2 Isack Hadjar a ocuparem os seus lugares.
"Para Jake, que deu o salto de um carro de Fórmula E, não admira que tenha precisado de apertar o capacete depois da primeira corrida, porque é um passo enorme", disse o chefe de equipa da Red Bull, Christian Horner.
"Penso que ambos se portaram muito bem e obtivemos muitos dados muito bons", acrescentou.
O sete vezes campeão do mundo Lewis Hamilton, da Mercedes, também não esteve presente, tendo sido substituído pelo dinamarquês Frederik Vesti, uma vez que as equipas cumpriram a obrigação de dar tempo de pista aos estreantes nos primeiros treinos.
Ambos os títulos já foram conquistados por Verstappen e pela dominante Red Bull, com a principal batalha entre Mercedes e Ferrari a ser a melhor das restantes.
Felipe Drugovich foi o segundo mais rápido no primeiro treino, com Robert Shwartzman a ser o oitavo mais rápido da Ferrari e a menos de um décimo do tempo de Sainz.
O australiano Jack Doohan teve de se desviar para evitar o Williams de Logan Sargeant, que mais tarde recebeu uma reprimenda por condução irregular, enquanto a Williams foi multada em 5.000 euros.
"Quase tive o maior acidente da minha vida", exclamou Doohan no rádio da equipa. "Sim, nós vimos", foi a resposta impassível.
O piloto francês Theo Pourchaire ficou em 14.º ao volante do segundo Alfa Romeo, o mexicano Pato O'Ward em 15.º para a McLaren e à frente de Dennis e Hadjar, que foi forçado a sair da pista para evitar bater em Stroll.
O britânico Zak O'Sullivan, no Williams de Alex Albon, foi o 18.º classificado, com o compatriota Oliver Bearman a ocupar a traseira do Haas.