Вивиан Мери Хартли е родена през 1913 г. в Дарджилинг, Индия. До шестгодишна възраст живее там, след което семейството ѝ се завръща в Англия. Още на осем години излиза на сцена като Фъстъче в „Сън в лятна нощ“, а в училище се сприятелява с бъдещата актриса Морийн О’Съливан. Детството ѝ минава между Англия и континентална Европа; учи в манастирски училища, усвоява френски и италиански и се интересува от балет, музика и театър. Постъпва в Кралската академия за драматично изкуство, но обучението ѝ е прекъснато от брака с адвоката Хърбърт Лий Холман и раждането на дъщеря ѝ Сюзан.

Филмовият ѝ дебют е в британската комедия „Things Are Looking Up“ през 1934 г., а пробивът идва с „Пожар над Англия“ от 1937 г. в партньорство с Лорънс Оливие. Между двамата се заражда връзка, която прераства в един от най-известните съюзи в британския театър и кино; женят се през 1940 г. и остават женени до 1960 г. В началото на кариерата ѝ е предложено сценичното име „Ейприл Морн“, но тя избира „Вивиан Лий“ – кратко и запомнящо се, със запазена връзка с фамилията ѝ.

Изборът ѝ за Скарлет О’Хара е сред най-известните холивудски истории. Докато в Лос Анджелис се подготвят декорите за сцената с горящата Атланта, Лий е представена на продуцента Дейвид О. Селзник от брат му Майрън, който според разказа казва: „Хей, гений, запознай се със своята Скарлет О’Хара!“ В „Отнесени от вихъра“ тя играе с Кларк Гейбъл, Лесли Хауърд и Оливия де Хавиланд. Филмът излиза през 1939 г., печели осем „Оскар“-а, а Лий получава наградата за най-добра актриса. Изпълнението ѝ съчетава упоритостта, себелюбието и уязвимостта на Скарлет – героиня, която оцелява сред разрухата на Гражданската война и разпадането на стария Юг. Днес филмът се разглежда и критично заради романтизирането на робството и изкривения исторически образ на американския Юг, но ролята на Лий остава сред най-разпознаваемите в киното.

Актрисата не остава затворена в образа на Скарлет. През 1951 г. тя играе Бланш Дюбоа във филма „Трамвай Желание“ на Елиа Казан и печели втория си „Оскар“ за роля, изградена върху страх, самота и постепенно психическо разпадане. Театърът остава голямата ѝ професионална страст: с Оливие играе Шекспир и Бърнард Шоу, а през 1951 г. двамата участват в едновременни лондонски постановки на „Антоний и Клеопатра“ и „Цезар и Клеопатра“. През 1963 г. Лий печели „Тони“ за мюзикъла „Товарич“ – единственото ѝ отличие от американската театрална награда.

Зад публичния образ на една от най-красивите жени на своето време стоят сериозни здравословни проблеми. През 1953 г. тя е диагностицирана с биполярно разстройство, а по-късните години от живота ѝ са белязани и от туберкулоза. Лий умира в Лондон на 8 юли 1967 г. на 53 години. Сред малко известните подробности за нея е страстта към книгите: личната ѝ библиотека включва произведения на Евелин Во, Труман Капоти и Иън Флеминг, много от които с лични посвещения. Така зад Скарлет О’Хара остава не само лицето от плаката, а актриса с широки литературни интереси, силна театрална дисциплина и кратка, но трайна кариера.