Acteur, réalisateur et scénariste danois, Nikolaj Lie Kaas est né d’un père acteur et d’une mère écrivaine. Il commence sa carrière d’acteur très jeune puisqu’il a à peine 17 ans lorsqu’il joue dans son premier film intitulé Drengene fra Sankt Petri (Kragh-Jacobsen, 1991). Ensuite, il mène des études de comédie et obtient son diplôme en 1998. Il fait également partie de l’expérience du Dogme en tournant dans Les idiots (Von Trier, 1998). Puis, il enchaîne immédiatement avec le film d’horreur Possessed (Klarlund, 1999). Toutefois, c’est sa rencontre avec le scénariste-réalisateur Anders Thomas Jensen qui s’avère déterminante. Il joue pour lui dans Lumières dansantes (2000), tout en étant aussi dans des œuvres dont Jensen est le scénariste comme Open Heart (Bier, 2002). La révélation intervient dans son pays avec Les bouchers verts (Jensen, 2003) où il interprète un double rôle au côté de Mads Mikkelsen.
Lie Kaas continue à collaborer avec Jensen pour Brothers (Bier, 2004), Adam’s Apples (Jensen, 2005), avant d’entamer une carrière internationale avec Anges & démons (Howard, 2009) avec Tom Hanks dans le rôle principal. Dans son pays, il obtient le rôle principal de A l’autre bout du monde (2010), mais il doit attendre le début de la saga cinéma Les enquêtes du département V pour devenir une star dans son pays. Il interprète le policier Carl Mørck à quatre reprises dans les films Miséricorde (2013), Profanation (2014), le seul à avoir été exploité en salles en France, Délivrance (2016) et Dossier 64 (2018). Entre-temps, l’acteur au statut enviable a joué dans Men & Chicken (Jensen, 2015), Enfant 44 (Espinosa, 2015) et Riders of Justice (Jensen, 2020).
Enfin, plus récemment, Nikolaj Lie Kaas semble être de plus en plus sollicité par la télévision pour des séries. D’ailleurs, il en réalise également des épisodes.