Lea Michele de son vrai nom Lea Michele Sarfati, est née dans le quartier du Bronx à New York. Elle est la fille unique de Marc Sarfati, et d'Edith d'origine italienne. Elle grandit à Tenafly (New Jersey) et etudie à la Tenafly High School. Elle est ensuite admise à la Tisch School of the Arts de l'Universite de New York.

Elle fait ses débuts sur scène à 8 ans dans la comédie musicale Les Miserables. Ce qui était au départ un remplacement pour le personnage de Cosette lance sa carriere. Elle apparait ensuite dans plusieurs autres spectacles musicaux dont Ragtime en 19982, Un violon sur le toit en 2004 et L'Eveil du printemps en 2006. Elle est nommée au Drama Desk Award pour son rôle de Wendla Bergman dans cette dernière production.

C'est dans cette comédie musicale qu'elle est remarquée par Ryan Murphy, créateur de la série Nip/Tuck alors à la recherche du premier rôle féminin de sa nouvelle série, Glee. Lea y joue le personnage de Rachel Berry en compagnie pour quelques épisodes de Jonathan Groff, son meilleur ami dans la vie, dans le rôle de Jesse St James. Elle et son partenaire Cory Monteith (Finn), ont été nommés dans la catégorie Summer's Must Songbirds de l'édition 2009 de Entertainment Weekly pour leurs rôles respectifs dans la série. Elle a également été nommée aux Golden Globes et Satellite Awards.

Elle a chanté America the Beautiful lors de la 45e édition du Super Bowl opposant l'equipe des Green Bay Packers aux Pittsburgh Steelers le 6 février 2011 au Cowboys Stadium d'Arlington (Texas).

La même année, elle joue aux cotes d'Ashton Kutcher, Robert De Niro et Hillary Swank dans Happy New Year de Garry Marshall.

Egerie de la marque Hewlett-Packard, elle a également tourné une publicité pour Dove et une autre pour Nike. En 2012, elle devient l'ambassadrice de la marque Candie's, succédant ainsi à Britney Spears et Vanessa Hudgens dans ce rôle. Elle devient, également en 2012, la nouvelle égerie de L'Oreal.

En tant que chanteuse, elle signe un contrat avec Columbia Records en 2012. Son premier single Cannonball, écrit par Sia, est sorti le 10 décembre 2013; il est extrait de son premier album solo, Louder, qui est sorti le 4 mars 2014. Le 9 janvier 2014, le clip de Cannonball est enfin dévoile. Le deuxieme single est On My Way dont le clip a était tourné le 19 Avril 2014.

Son autobiographie, Brunette Ambition, est sorti le 13 mai 2014 aux Etats-Unis chez Harmony Books, quelques jours aprés le long métrage d'animation Legends of Oz: Dorothy's return de Dan St. Pierre et Will Finn, dans lequel elle prête sa voix au personnage de Dorothy Gale.

Elle est végétalienne et soutient activement l'organisation PETA, en s'engageant notamment contre les promenades en calèche proposées à New York.

Elle a partagé un appartement avec Dianna Agron (Quinn Fabray dans Glee) pendant 7 mois et connait Jenna Ushkowitz (Tina Cohen-Chang dans Glee) depuis l'age de 8 ans grâce à Broadway. Son meilleur ami est Jonathan Groff (Jessie St James dans Glee) avec qui elle a joué dans L'eveil du printemps.

Son idole est Barbra Streisand, dont elle a suivi la voie en refusant de subir une rhinoplastie à l'adolescence. Dans la série télévisée Glee, elle reprend plusieurs de ses chansons : Papa Can You Hear Me? (Yentl), Don't Rain on My Parade et My Man (Funny Girl), etc.

Compagne de Cory Monteith, son partenaire dans Glee jusqu'au deces de ce dernier le 13 juillet 2013, elle lui dedie sa recompense de meilleure actrice dans une comedie aux Teen Choice Awards 2013, ainsi que deux chansons dans son album Louder (2014) : You're Mine et If You Say So ou elle evoque leurs derniers mots echanges.

Environ un an après le décès de Cory Monteith, elle a une relation avec Matthew Paetz rencontré sur le tournage du clip On my Way. Ils se séparent en février 2016 après presque deux ans de relation.

De mai à juillet 2016, elle est brièvement sortie avec son partenaire dans Dimension 404, Robert Buckley.