Ли создал значительную часть теории непрерывной симметрии и использовал её в изучении геометрии и дифференциальных уравнений.
Получил Ph.D. в университете Осло в 1872 за работу О классах геометрических преобразований, стал почётным членом Лондонского математического общества в 1878 и членом Лондонского королевского общества (1895).
Основным инструментом Ли и его главным открытием было то, что непрерывные группы преобразований (называемые в честь него группами Ли) можно понять лучше, линеаризуя их и изучая образующиеся векторные поля (так называемые инфинитезимальные генераторы). Генераторы подчиняются линеаризованной версии группового умножения, называемой теперь коммутатором, и имеют структуру алгебры Ли.
Награждён Казанским физико-математическим обществом премией Лобачевского (1897).