Lea começou a trabalhar profissionalmente como atriz infantil na Broadway em produções como Os Miseráveis, Ragtime e Fiddler on the Roof. Em 2006, ela atuou no papel principal de Wendla Bergmann no musical da Broadway Spring Awakening, pelo qual recebeu uma nomeação ao Drama Desk Award. Michele fez sua estréia no cinema em 2011, quando ela estrelou a comédia romântica New Year's Eve, dirigido por Garry Marshall . Em 2014, ela dublou Dorothy Gale no filme de animação Legends of Oz: Dorothy's Return.

Michele assinou contrato com a Columbia Records como um artista solo em 2012. Seu primeiro single, "Cannonball", foi lançado em 10 de dezembro de 2013. Seu álbum de estréia, Louder, foi lançado em 4 de março de 2014. Em 2013, Michele lançou seu primeiro livro, intitulado Brunette Ambition. Ele foi lançado mundialmente em 20 de maio de 2014 e fez sua estréia na lista do New York Times Best Seller list no número 3.