Норма Делорис Эгсторм, в будущем Пегги Ли, родилась 26 мая 1920 года в городе Джеймстаун в Северной Дакоте. Она была седьмой из восьми детей в семье Марвина Эгсторма, станционного смотрителя. Её матери не стало, когда Норме было четыре года и она, вместе с братьями и сёстрами, осталась на попечении отца и мачехи.
Профессионально она занялась пением ещё в подростковом возрасте, выступая на местном радио. После окончания средней школы она продолжила свои выступления на радио, взяв при этом псевдоним Пегги Ли. В возрасте 17 лет она ушла из дома из-за постоянных конфликтов с мачехой и уехала в Лос-Анджелес. Но вскоре она вернулась в Северную Дакоту для тонзиллэктомии, а затем перебралась в Чикаго, где стала выступать в одном из ночных клубов. Там её заметил джазовый кларнетист и руководитель знаменитого биг-бэнда Бенни Гудмен, который в 1941 году пригласил её в свой коллектив.
В 1942 году Пегги Ли записала свой первый хит «Somebody Else Is Taking My Place», а её следующая песня «Why Don’t You Do Right?» в 1943 году продавалась миллионными тиражами и сделала её знаменитой. В том же году Пегги Ли впервые появилась в кино, в двух музыкальных фильмах с Бенни Гудменом, в том числе в «Сестре его дворецкого» (1943).
В марте 1943 года Пегги Ли вышла замуж за Дейва Барбура, гитариста из джаз-оркестра Гудмена. После того как они вместе покинули биг-бэнд, Дейв стал работать на музыкальной студии, а она оставила карьеру и занялась воспитанием их дочери Ники. Но страсть к музыке взяла верх, и вскоре Пегги Ли стала сочинять свои собственные песни, а в 1944 году приступила к их записям на студии «Capitol Records». Там она записала ряд своих хитов, многие из которых были написаны ей самой и её мужем, включая «I Don’t Know Enough About You» и «It’s a Good Day» (1946). В 1948 году она записала свой супер-хит «Ma?ana», после которого вновь активно занялась музыкой.
В том же году она вместе с Перри Комо и Джо Стаффорд стала ведущей музыкальной программы «Chesterfield Supper Club» на радио «NBC», а также в это время часто появлялась в «Шоу Джимми Дуранте».
В 1951 году Пегги Ли развелась с Дейвом и в дальнейшем ещё трижды выходила замуж, но все браки длились буквально пару лет и заканчивались разводом. С последним своим мужем, Джеком Дель Рио, она развелась в 1965 году.
В 1950-е годы Пегги Ли снялась в ряде фильмов, среди которых «Блюз Пита Келли» (1955), за роль Роуз Хопкинс из которого она была номинирована на премию «Оскар», как лучшая актриса второго плана.
В 1952—1956 годах Пегги Ли сотрудничала с звукозаписывающей компанией «Decca Records», где в 1953 году записала свой первый альбом «Black Coffee». В дальнейшем она вернулась на «Capitol Records», где вплоть до 1972 года она почти ежегодно выпускала новый альбом. Ли также много занималась написанием песен, некоторые из которых прозвучали в мультфильме «Леди и Бродяга» (1955), где она сама озвучивала несколько ролей.
Наибольшую популярность Пегги Ли принесла её кавер-версия песни «Fever», записанная в 1958 году, а также песня «Is That All There Is?» в 1969 году, за которую она получила свою единственную премию «Грэмми», хотя номинировалась на неё 12 раз.
В 1970-х Пегги Ли исполнила для «McDonald’s» известную для многих американцев одноимённую песню (Peggy Lee — «McDonald’s Theme Song»), в дальнейшем песня звучала в телевизионной рекламе «McDonald’s».
После ухода из «Capitol Records» Пегги продолжала записывать свои альбомы на других студиях, последний из которых был выпущен в 1993 году. В 1995 году ей была вручена специальная премия «Грэмми» за Достижения всей жизни.
Последние годы жизни Пегги Ли страдала от диабета и передвигалась только в инвалидном кресле. Она умерла от инфаркта 21 января 2002 года в Лос-Анджелесе в возрасте 81 года. Семья певицы просила Американскую академию киноискусства включить её в Список памяти на церемонии «Оскара», но те отказали, ссылаясь на недостаточный вклад в кино.