A pesar de su relativa juventud, Nikolaj Lie kaas ya figura como uno de los actores escandinavos más reconocidos. Desde principio de los años 90 se ha labrado una notable carrera tanto en cine como en teatro. Kaas hizo su debut en cine a los 17 años en la película de Søren Kragh-Jacobsen, Los chicos de San Petri (Drengene fra Sankt Petri), papel por el que fue premiado con el Robert (Premio de la Academia de Dinamarca) y el Bodil (Premio de la Crítica de Cine danesa) al mejor actor de reparto en 1992. Inmediatamente después de su graduación en la Escuela Nacional de Teatro en 1998, Kaas protagonizó la controvertida comedia negra de Lars von Trier Los Idiotas (Idioterne) en el papel de uno de los jóvenes adultos inteligentes que pretende estar mental o físicamente impedido para provocar una respuesta social. Por esta interpretación Kaas ganó su segundo premio Bodil al mejor actor de reparto en 1999.
A lo largo de los años, Kaas ha interpretado multitud de diferentes roles, en muchas ocasiones brindando a sus personajes adultos la inocencia y vulnerabilidad de un niño. Kaas ganó su segundo Robert, en esta ocasión al mejor actor protagonista por su trabajo en Un hombre de verdad (Et rigtigt menneske), una fábula moderna en la que Kaas interpreta a un hombre invisible al que se le da la oportunidad de convertirse en un verdadero ser humano. En la película de Susanne Bier, Corazones abiertos (Elsker dig for evigt) (2002) retrata a un vibrante hombre joven, que debe adaptarse a una nueva vida cuando queda parapléjico. Este muy aplaudido filme le supuso su tercer Robert y un tercer Bodil como mejor actor de reparto así como el premio a la estrella revelación en el Festival de Cine de Berlín de 2003. Intentando huir constantemente de la clasificación, Kaas protagonizó la película romántica Reconstruction, que ganó la Cámara de Oro en el Festival de Cine de Cannes de 2003. Otros de sus trabajos incluyen Kærlighed på film (seleccionada para los Festivales de Toronto 2007 y Sundance 2008) de Ole Bornedal; Hermanos (Brødre) de Susanne Bier con Connie Nielsen; Adams æbler de Anders Thomas Jensen; I Kina spiser de hunde de Lasse Spang Olsen y Blinkende lygter también de Thomas Jensen. Kaas realizó su debut en inglés como un mafioso ruso en la película de HBO, PU-239 junto a Paddy Considine y Radha Mitchell. Más recientemente protagonizó el filme de suspense de Kasper Barfoed, Kandidaten. Próximamente protagonizará la película de Tomas Villum Jensen, Ved verdens ende.
Además de su prolífica filmografía, Kaas no deja de lado el teatro, ha protagonizado numerosas producciones en el Teatro Real de Dinamarca incluyendo clásicos como "Peer Gynt" (2001), por el que recibió el premio Reumert al mejor actor protagónico e "Ivanhoe" (2003). Más recientemente ha protagonizado la reposición de Edward Albee de "¿Quién le teme a Virginia Woolf?" (Whos Afraid of Virginia Woolf?) (2008).
Kaas reside en Copenague. Es representado por Industry Entertainment (US) y Lindberg Management.