Figlio del comico Preben Kaas e dell'attrice Anne Mari Lie, i suoi genitori divorziarono quando aveva 2 anni e morirono entrambi suicidi (il padre quando aveva 8 anni, mentre sua madre a 16). La sua carriera è costituita perlopiù da produzioni danesi, anche se ha preso parte ad alcune produzioni statunitensi, la più famosa delle quali è la pellicola del 2009 Angeli e demoni, diretto da Ron Howard, adattamento cinematografico dell'omonimo romanzo di Dan Brown, nel quale Nicolaj interpreta l'assassino conosciuto come Mr. Gray. Nel 2003 ha iniziato una relazione con Anne Langkilde, che ha poi sposato nel 2008. I due hanno avuto due figlie: Gerda Sofie (2006) e Esther Marie (2010).
Nelle versioni in italiano delle opere in cui ha recitato, Nikolaj Lie Kaas è stato doppiato da:
Patrizio Prata in The Absent One - Battuta di caccia, A Conspiracy of Faith - Il messaggio nella bottiglia e Paziente 64 - Il giallo dell'isola dimenticata
Andrea Ward in The Killing, Carl Mørck - 87 minuti per non morire
