Lea Michele naît le 29 août 1986 à New-York. Elle est la fille d'un propriétaire de delicatessen et d'une infirmière catholique. Elle se passionne pour la comédie dès son plus jeune âge et monte sur les planches pour la première fois dans la comédie musicale Les Misérables alors qu'elle n'a que 8 ans. Elle y tient le rôle de Cosette. Elle apparaît dans Ragtime en 1994, puis dans Un violon sur le toit en 2004 et L'Eveil du printemps en 2006. Diplômée de la Tisch School of the Arts de New-York, elle est remarquée par Ryan Murphy qui la choisit pour jouer le premier rôle féminin de la série musicale Glee. Elle y incarne Rachel Berry, une jeune fille qui rêve de monter sur les planches de Broadway. Le timbre puissant de sa voix séduit le monde entier. En 2011, elle chante America the Beautiful lors du 45ème Super Bowl.
Lea Michele démarre sa carrière au cinéma dans Happy New Year, aux côtés d'Ashton Kutcher, d'Hilary Swank et de Robert De Niro. Côté musique, elle signe avec Columbia Records en 2012 et sort l'album Cannonball, composé par Sia, en 2013. Elle écrit son autobiographie et Brunette Ambition paraît en mai 2014.
La jeune femme est très proche de ses partenaires de la série Glee. Elle a en effet été la colocataire de Dianna Agron, a joué à Broadway avec Jenna Ushkowitz et est la meilleure amie de Jonathan Groff.
Côté vie privée, Lea a été la compagne de Cory Monteith jusqu'au décès tragique de ce dernier en 2013. Elle retrouve ensuite l'amour au bras du mannequin Matthew Paetz. Mais après deux ans de romance le couple se sépare en février 2016. Elle vit ensuite une idylle avec l'acteur Robert Buckley. Le couple rompt en juillet 2016. En avril 2018, elle se fiance avec Zandy Reich. Le 9 mars 2019, le couple se marie. Le 2 mai 2020, elle publie une photo sur son compte Instagram pour annoncer sa grossesse. Le 20 août 2020, elle donne naissance à un petit garçon prénommé Ever Leo. Le 27 mars 2024, Lea Michele annonce sur son compte Instagram attendre son deuxième enfant, avec son mari. Une petite fille naît le 25 août 2024.