Nikolaj Lie Kaas er søn af skuespilleren Preben Kaas og forfatteren Anne Mari Lie, der skiltes da Nikolaj var to år gammel. Efter en tid som aktiv i Tivoligarden debuterede han som 17-årig i Søren Kragh-Jacobsens "Drengene fra Sankt Petri (1991). En rolle han modtog både en Robert og en Bodil for. Som 21-årig blev Nikolaj Lie Kaas optaget på Statens Teaterskole i København og viste sig hurtigt som en absolut lysende stjerne både på film og på landets teaterscener. Siden han blev færdiguddannet i 1998 har han haft roller i de store klassikere på Det Kongelige Teater, bl.a. i "Den Vægelsindede", "Ivanhoe" og titelrollen i "Peer Gynt", for hvilken han modtog en Reumert for bedste mandlige hovedrolle. I 2004 spillede han i "Demokrati" på Betty Nansen Teatret, ligesom han var med i forestillingen "Rosenkrantz og Gyldenstjerne er døde" på Aveny-Teatret. Desuden har han medvirket i de mere eksperimenterende dramaer på de mindre scener, bl.a. Kaleidoskop og Café Teatret. Siden sin filmdebut har han været med i bl.a. Erik Clausens Carl Nielsen-film "Min fynske Barndom" og Lars von Triers dogmefilm "Idioterne", hvor han modtog en Bodil for sin præstation. Nikolaj Lie Kaas er sammen med Tomas Villum Jensen blevet Danmarksberømt for replikken "Vi er jo bare kokke" i Lasse Spang Olsens film "I Kina spiser de hunde". I 2005 medvirkede han i både "Solkongen", "Mørke" og "Adams Æbler". På internationalt plan har han medvirket i den amerikanske filmatisering af "Engle og Dæmoner". På TV har han bl.a. medvirket i serierne "Taxa" og "Rejseholdet". Han har som den eneste skuespiller modtaget hele 3 Bodil-statuetter inden han fyldte 30 år. Desuden modtog han en Robert for bedste mandlige hovedrolle i "Et Rigtigt Menneske" i 2002 og året efter endnu en Robert for bedste mandlige birolle i "Elsker Dig for Evigt". I 2012 modtog han Filmmedarbejderforeningens Bodil-statuette for sin rolle som Dirch Passer i filmen "Dirch". Nikolaj Lie Kaas har tidligere dannet par med scenografen Mia Stensgaard, men parret skiltes i 2002 og i 2008 blev han gift på Københavns Rådhus med makeup-artist, senere web-redaktør hos modemagasinet "Elle" Anne Langkilde.