Lee Pace sinh ra ở Chickasha, Oklahoma, con trai của Charlotte (nhũ danh Kloeckler), một giáo viên, và James Roy Pace, một kỹ sư. Anh có hai anh chị em. Khi còn nhỏ, Lee Pace đã trải qua nhiều năm ở Arập Xê-út, nơi cha anh làm việc trong ngành dầu khí; sau đó gia đình chuyển tới Houston, Texas. Pace học tại trường trung học Klein ở Spring, Texas, cùng với Matt Bomer. Pace từng tạm ngưng học đi diễn tại Nhà hát Alley (Alley Theatre) của Houston trước khi trở về để tốt nghiệp. Tại Alley Theatre, anh xuất hiện trong các tác phẩm The Spider's Web và The Greeks. Năm 1997, Pace được Khoa Kịch nghệ của trường Juilliard chấp nhận là thành viên của Nhóm 30 (1997–2001), bao gồm cả các diễn viên Anthony Mackie và Tracie Thoms. Khi ở trường, Pace tham gia nhiều vở kịch, trong đó có Romeo và Juliet vai Romeo, Richard II trong vở kịch cùng tên, và vở Julius Caesar trong vai Cassius. Pace tốt nghiệp trường Juilliard với bằng Cử nhân Mỹ thuật.