Вилли Лей родился в Берлине 2 октября 1906 года. В 1924 году поступил в Берлинский университет, впоследствии вынужден был переехать по семейным обстоятельствам и продолжил образование в Кенигсбергском университете, специализируясь в нескольких областях — астрономия, физика, зоология и палеонтология. По финансовым причинам вынужден был оставить университет в 1927 году.
Ещё во время учёбы в университете в Вилли Лей написал научно-популярную брошюру «Космическое путешествие» (нем. Die Fahrt ins Weltall, 1926). Весной 1927 года Вилли Лей стал одним из основателей Германского космического общества (нем. Verein f?r Raumschiffahrt). Он участвовал в проектировании, постройке и испытаниях первых немецких ракет с двигателями на жидком топливе в группе Херманна Оберта, а также составил антологию статей «О возможности межпланетных путешествий» (нем. Die M?glichkeit der Weltraumfahrt, 1928) — именно последняя во многом вдохновила Фрица Ланга на создание фильма «Девушка на Луне» (1929). Кроме того, Лей был редактором выпускавшегося Обществом журнала «Die Rakete», а в 1929 году был избран вице-президентом Общества.
В 1935 году, после распада Германского космического общества, Вилли Лей эмигрировал в США, где стал активным членом Американского ракетного общества. Статус эмигранта не давал ему права получить постоянную работу и в течение нескольких лет Лей зарабатывал написанием статей для множества американских и европейских научно-популярных изданий. В 1944 году он получил американское гражданство.
Американское ракетное общество было тесно связано с научно-фантастическими журналами — например, основатель и первый президент Общества Дэвид Лассер работал редактором в журнале «Wonder Stories». Естественным образом Вилли Лей начал писать научно-популярные статьи для фантастических журналов, которые публиковались в «Astounding», «Thrilling Wonder Stories», «Amazing» и других изданиях. Он также написал несколько фантастических рассказов под псевдонимом «Роберт Вилли». Начиная с сентября 1952 года он числился научным редактором журнала «Galaxy Science Fiction», в котором вел ежемесячную колонку, посвященную новостям науки и техники.
На протяжении 1940—1960-х годов Вилли Лей написал (один и в соавторстве) два десятка научно популярных книг, посвященных загадкам и легендам животного мира (серия из трёх книг «Записки романтичного зоолога»), ракетной технике, будущим космическим исследованиям, Солнечной системе и другим темам. Кроме писательской работы, он участвовал в исследовательской работе Вашингтонского технологического института в Колледж Парк, штат Мэриленд, читал лекции в Университете Фарли Дикинсона, консультировал Отдел технического обеспечения министерства торговли США и был научным консультантом продюсерской группы молодёжного научно-фантастического телесериала «Том Корбет, космический кадет» («Tom Corbett, Space Cadet»).
В 1950 году вышла широко известная книга Вилли Лея «Завоевание космоса» (англ. The Conquest of Space), великолепно проиллюстрированная Чесли Бонстеллом, которая в 1951 году получила Международную премию фантазии. Именно эта книга открыла для многих читателей не далекий фантастический космос, а космос реальный и технически достижимый, и во многом обусловила общественный интерес к американской космической программе. Вилли Лей также был в течение многих лет консультантом NASA.
Книга Вилли Лея «Ракеты и полеты в космос» (англ. Rockets, Missiles and Space Travel), посвященная истории и современному (на тот момент) состоянию проектов, связанных с реактивными полетами, была в 1961 году выпущена в сокращённом переводе на русский язык.
Вилли Лей скончался от сердечного приступа 24 июня 1969 года, менее месяца не дожив до первой высадки человека на Луну — события, о котором он мечтал всю жизнь и на трансляцию которого уже был официально приглашён в Хьюстон в качестве почётного гостя.
Один из лунных кратеров, расположенных на обратной стороне Луны, назван в его честь Кратером Лея.
В 1941 году Вилли Лей женился на балерине и журналистке Ольге Фельдман. Они стали родителями двух дочерей — Сандры и Ксении.