La première participation cinématographique de Lee Majors remonte en 1965 pour le film d'horreur La Meurtriere diabolique, participation pour laquelle il n'est pas crédité. C'est trois ans plus tard, pour le western Will Penny, le solitaire, que son nom apparaît pour la première fois dans un générique.

C'est par l'intermédiaire du petit écran que Lee Majors va devenir une star. Il devient en effet en 1973 Steve Austin, le héros bionique de la série L'Homme qui valait 3 milliards. Il épouse la même année l'actrice Farrah Fawcett et monte avec elle une société de production, lui permettant de vivre en parrallèle une carrière au cinéma. Il est ainsi à l'origine de films comme The Norseman et L'Invasion des Piranhas en 1978. Il tourne aux côtés de Robert Mitchum pour les besoins des Espions dans la ville en 1980. Son mariage avec la Drôle de Dame se termine deux ans plus tard.

Pendant les années 80, Lee Majors se consacre exclusivement à la télévision avec la série L'Homme qui tombe à pic, si ce n'est pour rejoindre l'impressionnant casting de Fantômes en fête en 1988. Ce n'est qu'en 1997 qu'il retrouve le grand écran pour sa participation "clin-d'oeil" au film Trojan War, où il joue un policier nommé Austin. Depuis, Lee Majors tourne dans de nombreux films, dont les comédies Méchant menteur et Snow, sex & sun en 2001.