Diplômé de l'école de cinéma de l' USC (University of Southern California) en 1991, Lee Unkrich entame sa carrière dans le cinéma et la télévision en prises de vue réelles, travaillant notamment sur la série Les Dessous de Palm Beach. Arrivé en 1994 chez Pixar, il travaille comme monteur sur Toy Story en 1995, puis sur 1001 Pattes en 1998, pour lequel il assure également certaines voix additionnelles.

Co-réalisateur, monteur et à nouveau voix additionnelles sur Toy Story 2 en 1999, Lee Unkrich co-signe Monstres & Cie en 2001. Deux ans plus tard, il coréalise avec Andrew Stanton, Le Monde de Nemo, certifié plus grand succès de l'histoire de l'animation quelques semaines après sa sortie.

L'année 2010 représente un tournant important dans sa carrière, puisqu'il est nommé à la tête de la réalisation de Toy Story 3, le troisième volet des aventures des célèbres jouets animés.