Gwilym Lee estuvo interesado en la actuación desde temprana edad, por ello, en su adolescencia se unió a un grupo de drama en el que tuvo la oportunidad de participar en varias obras teatrales y, en 1999, unirse a la prestigiosa Compañía Real de Shakespeare. Gracias al talento mostrado en teatro, Lee ha sido galardonado con varios premios.

Su debut en televisión lo tuvo en 1997 en la adaptación de los libros Arco animal de Ben. M. Baglio. Lee. Continuó con papeles pequeños en televisión hasta que tuvo el papel principal en la temporada final de la serie Land Girls (2011). Sus participaciones en esta plataforma han continuado: en 2016 informó que participaría en la primera temporada de la serie Jamestown.

En cine tuvo una pequeña aparición en El turista (2010), protagonizada por Angelina Jolie y Johnny Depp. En el 2017 se anunció que Lee sería el encargado de interpretar al guitarrista Brian May en el film biográfico de Queen, Bohemian Rhapsody: La historia de Freddie Mercury (2018).