Ли Гриннер Пейс родился 25 марта 1979 года в американском городе Чикаша, в семье инженера Джеймса Роя Пейса и его супруги, школьного учителя, Шарлотты. У Ли есть старшая сестра и младший брат.

В детстве, в течение семи лет Ли вместе с семьей провел в ОАЭ, где у его отца была работа в нефтедобывающей компании. Затем вся семья вернулась в США и поселилась в Хьюстоне.

Там Ли поступил в среднюю школу Klein, во время учебы в которой принимал участие в театральных постановках. Однако документ об окончании школы Ли Пейс не получил, так как бросил школу ради участия в постановках хьюстонского театра Элли.

В 1997 году Ли Пейс был принят в Джульярдскую школу драмы, где его одноклассниками стали Энтони Маки и Трейси Томс.

В 2001 году Ли окончил школу драмы со степенью бакалавра изящных искусств. В том же году Ли дебютировал на сцене в нескольких вне-бродвейских постановках, включая «The Credeaux Canvas» и «The Fourth Sister».

В 2003 году состоялся его дебют на телеэкранах, Ли досталась роль транссексуала в криминальной драме «Солдатская девушка». За эту роль он номинировался на премии «Золотой глобус», «Gotham» и «Независимый дух».

В 2004 году Ли Пейс исполнил одну из главных ролей в комедийном сериале «Чудопад», а в 2005 году состоялся его дебют на большом экране. Ли досталась небольшая роль в военной мелодраме «Белая графиня», главные роли в которой исполнили Рэйф Файнс и Наташа Ричардсон.

В 2006 году с его участием вышло уже три картины – «Дурная слава», «Запределье» и «Ложное искушение». В первых двух он исполнил главные роли, а в третьей, втором режиссерском проекте Роберта Де Ниро, ему досталась всего лишь небольшая роль.

Также небольшую роль Ли Пейс получил в картине «Мисс Петтигрю» (2007), в главной роли в которой сыграла Эми Адамс.

В том же 2007 году Ли вместе с Сарой Мишель Геллар появился в главных ролях в драме «Фальшивка».

В 2009 году его фильмография пополнилась еще двумя картинами – «Одинокий мужчина» режиссера Тома Форда и мелодрама Марка Стивена Джонсона «Однажды в Риме».

В 2010 году Ли Пейс снялся в трех картинах – «Ловушка», «Свадьба» и «Мармадюк», однако ни одна из картин не получила должного признания.

Такой же провальной картиной стала «30 ударов» (2012), где Ли досталась одна из главных ролей. Картина собрала лишь 14 тысяч в прокате, что даже близко не приблизилось к бюджету картины в 1 миллион.

В том же 2012 году Ли получил роль Фернандо Вуда в биографической драме «Линкольн», роль кочевника Гарретта в фильме «Сумерки. Сага: Рассвет — Часть 2», а также роль короля лесных эльфов Трандуила в первой части трилогии «Хоббит: Нежданное путешествие». Роль Трандуила Ли также исполнил в двух продолжениях франшизы – «Хоббит: Пустошь Смауга» (2013) и «Хоббит: Битва пяти воинств» (2014).

В том же 2014 году Ли Пейс исполнил роль главного антагониста, Ронана Обвинителя, в фантастическом фильме «Стражи Галактики», в котором также снялись Крис Пратт и Зои Салдана. Кроме того в 2014 году Ли получил главную роль в сериале «Остановись и гори», рассказывающем о компьютерном буме 1980-х годов.