À 17 ans, il quitte le lycée et s’engage lors de la Seconde Guerre mondiale dans l’US Navy. Il est affecté à bord d’un chasseur de sous-marins puis sur un dragueur de mines, ce qui lui vaut plusieurs médailles pour sa bravoure.

De retour à la vie civile, il travaille comme comptable, tout en faisant du théâtre amateur, une passion qui l’amène à rejoindre la troupe du metteur en scène de théâtre Joshua Logan. Au cours d’une tournée provinciale, Stanley Kramer, présent lors d’une représentation remarque son physique typé au profil d’aigle et l’engage aussitôt pour un rôle de bandit dans le sublime western « Le train sifflera trois fois » (1952) avec Gary Cooper et Grace Kelly, sans prononcer une seul mot, il est remarquable en tueur névrosé.

Suivi de « L’homme du Nebraska » (1953) de Fred F. Sears, il campe un soldat de l'armée en attente de jugement pour meurtre ; et aux côtés de Rory Calhoun, Noah Beery Jr et Peter Graves il est couteau de feu dans « La hache sanglante » de Lesley Selander.

Avec ses yeux perçants, son nez busqué et sa trogne de psychopathe, Lee Van Cleef créait un personnage patibulaire qui a l’honneur de se faire corriger ou refroidir par des stars comme Rock Hudson dans «Victime du destin» (1952) de Raoul Walsh ; par Randolph Scott dans « Dix hommes à abattre » (1954) de H. Bruce Humberstone ;et par Jack Palance dans « Jicop le proscrit » (1954) de Henry Levin.

Puis il est Hakar dans le film d'aventures « Princesse du Nil » (1954) de Harmon Jones avec Debra Paget l’intrépide princesse Shalimar (Debra Paget).

Sans vraiment s’imposer, Lee Van Cleef va enchaîner une brochette de personnages dans des westerns mythiques où il finit souvent d’une mort violente. On peut citer: le cruel Ed McGaffey dans « Du sang dans le désert » (1957) d'Anthony Mann, où il prend en otage un médecin pour soigner la blessure par balle de son frère (Peter Baldwin) puis le tue ; le cowboy Ed Bailey, qui se prend le cran d’arrêt de Kirk Douglas en plein cœur, dans « Règlement de comptes à O.K. Corral » (1957) de John Sturges ; l’un des quatre Bravados recherché par Gregory Peck dans «Los Bravados» (1957) de Henry King (la scène où il supplie Gregory Peck de l’épargner est mémorable), un homme de main dans « L’homme qui tua Liberty Valance » (1962) de John Ford avec Lee Marvin dans le rôle titre, entouré de James Stewart et John Wayne.

C’est Sergio Leone qui lui ouvre les portes du vedettariat en l’engageant dans deux westerns spaghettis « Et pour quelques dollars de plus » (1965) en covedette avec Clint Eastwood où tout deux chasseur de prime sont à la poursuite d’un criminel dit l’indien incarné par Gian Maria Volonté ; puis « Le bon, la brute et le truand » (1966) où il est Setenza, la brute sanguinaire, avec Clint Eastwood le bon et Eli Wallach le truand où tous les trois a la recherche d’un coffre remplit de pièces d’or.

Les années suivantes, reconnu comme l’un des meilleurs second couteau, Lee Van Cleef est sollicité pour de nombreux westerns italiens et séries télévisées. Il signe l’apogée de sa carrière avec son personnage de chasseur de prime élégant et cynique dans «Sabata» (1968) et sa suite «Le retour de Sabata» (1971) de Gianfranco Parolini.

Dans un western violent « La chevauchée des sept mercenaires » (1972) de George McCowan il campe un ancien mercenaire devenu marshal, il s'installe dans une petite ville et épouse Arilla (Mariette Hartley), mais trois bandits la tue après l'avoir violée, dans une colère aveugle il poursuit les assassins de sa femme.

Michele Lupo signe « L’homme aux nerfs d’acier » (1973) Lee interprète un parrain de mafia italo-américain Frank Diomede, dit « Dieu » il revient en Italie pour règler ses comptes avec son rival Luis Annunziata (Jean Rochefort) qui décime ses hommes.

Abonné aux westerns spaghettis, Antonio Margheriti l'engage dans « La brute, le colt et le karaté » (1974), il est Dakota, un voleur invétéré, il s’empare d’un coffre-fort appartenant à un seigneur de la guerre (Wang Hsieh) dans lequel se trouve quatre photos de femmes nues portant des tatouages sur leurs fesses qui révèlent l'emplacement d’un magot mais il n’est pas seul sur le coup dont un prêtre sanguinaire et des criminels impitoyables.

Dans le film d’anticipation de John Carpenter « New York 1997 » (1980), responsable de la sécurité new-yorkaise, Bob Hauk, (Lee Van Cleef) fait appel à Snake Plissken, (Kurt Russell) un ancien membre des forces spéciales devenu un redoutable hors-la-loi, et lui donne vingt-quatre heures pour sauver le président des Etats-Unis (Donald Pleasence) détenu sur l'île de Manhattan par des terroristes en échange de sa liberté.

Il a également joué dans de nombreuses séries télévisées principalement des westerns. Citons quelques classiques : un déserteur dans « Rintintin » 1954 avec Lee Aaker et James Brown ; et tout une panoplie de méchants dans ; « Les aventures de Kit Carson » de 1954/55 avec Bill Williams ; « Lawman » de 1958/60 avec John Russell ; « Zorro » en 1958 avec Guy Williams; « L'homme à la carabine » de 1959/663 avec Chuck Connors ; « Laramie » de 1960/63 avec Robert Fuller ; « Gunsmoke » de 1960/1966 avec James Arness ; « Cheyenne » de 1961/62 avec Clint Walker dans le rôle titre et « L'homme au katana » 1984 où il interprète un Blanc initié aux techniques de combat des ninjas.

Lee Van Cleef fut marié trois fois. De sa première union avec Patsy Ruth Kahle (1943/60) sont nés Deborah, Alan et David. Avec sa deuxième épouse Joanne Marjorie Drane (1960/74), ils adoptent une fille Denise. Ces deux premiers mariages se soldent par un divorce. Il termine sa vie avec Barbara Havelone, une pianiste qui travaillait sur la partition du film « La brute, le colt et le karaté » (1974).

Ils resteront unis jusqu’au décès de l’acteur le 16 décembre 1989, victime d’un infarctus mais il souffrait déjà d’un cancer de la gorge. Il repose au cimetière Forest Lawn à Hollywood Hills, en Californie.