Diplomato alla National Theater School a Copenhagen, Nikolaj Lie Kaas esordisce con I RAGAZZI DI SAN PIETRO (1991, di Søren Kragh-Jacobsen), per cui ottiene a soli 18 anni un Bodil Award e un Robert Award, i due maggiori riconoscimenti del cinema danese. Un secondo Bodil lo conquista grazie a IDIOTI (1998) di Lars von Trier, con cui si afferma definitivamente in patria come uno dei migliori attori della sua generazione. Tra i suoi film successivi ricordiamo FLICKERING LIGHTS, 2000, di Anders Thomas Jensen, con Mads Mikkelsen e Ulrich Thomsen, il pluripremiato OPEN HEARTS (2002, di Susanne Bier), RECONSTRUCTION (2003, di Christoffer Boe) e, sempre di Susanne Bier, NON DESIDERARE LA DONNA D'ALTRI. Nel 2009 vola a Hollywood per ANGELI E DEMONI di Ron Howard e l'anno successivo è a fianco di Rachel Weisz in THE WHISTLEBLOWER. Nel 2011 conquista nuovamente un Bodil Award e un Robert Award con A FUNNY MAN, in cui interpreta Dirch Passer, uno dei più celebri comici danesi. Dopo SECOND CHANCE di Susanne Bier , nel 2015 è, tra gli altri, in CHILD 44 - IL BAMBINO N. 44, con Gary Oldman e Noomi Rapace.