Gwilym Lee s-a născut la data de 24.11.1983, în Londra, Marea Britanie. Părinții săi sunt galezi, Tom și Ceinwen. Are trei frați mai mari: Geraint, Owen și Rhiannon. Când era tânăr, familia s-a mutat la Sutton Coldfield din Birmingham. A studiat literatura engleză la Universitatea Cardiff și teatru la Guildhall School of Music and Drama, unde a primit medalia de aur Guildhall în 2008. Lee locuiește la Londra. În privința carierei sale, el s-a alăturat unui grup dramatic în adolescență. Apoi a jucat în adaptarea televizată din 1997-1998 a cărților Animal Ark. În vârstă de 16 ani a început să lucreze la Richard al III-lea cu Royal Shakespeare Company. El a apărut într-un rol principal în seria finală Land Girls (2011) și a avut mai multe roluri de invitat la televiziune (inclusiv în Ashes to Ashes, Fresh Meat, Monroe și Henry V). A jucat în filme, precum: The Tourist - 2010, Fresh Meat - 2011, Bohemian Rhapsody - 2018. De asemenea, a lucrat la radio (The Emerald Tiger, The Silver Turk și într-o adaptare a The Cruel Sea). Lee a fost lăudat la premiile Ian Charleson din 2008 pentru apariția sa în producția Oedip de la Teatrul Național și în 2009 a interpretat Laertes în Hamletul lui Jude Law din sezonul Donmar West End. A câștigat premiul Ian Charleson în 2011 pentru rolul Edgar în producția King Lear din 2010 la Donmar Warehouse. În 2012, Lee a jucat în producția Donmar Trafalgar Studios din Promisiunea lui Aleksei Arbuzov. În 2013, Lee a început la televiziune rolul noului sergent al lui DCI Barnaby, DS Charlie Nelson, în a 16-a serie a Midsomer Murders, care a inclus și al 100-lea episod al emisiunii, filmat parțial în Danemarca în colaborare cu corporația națională de radiodifuziune locală, DR. La începutul anului 2014 a apărut la Versailles la Depozitul Donmar. În aprilie 2016, ITV a anunțat că Lee nu se întoarce pentru sezonul 19 din Midsomer Murders. Lee l-a interpretat pe chitaristul Brian May în filmul biografic Queen Bohemian Rhapsody (2018), care i-a adus o nominalizare pentru Performanță remarcabilă într-un film, unul dintre cele 25 de premii Screen Actors Guild.