In der Saison 2009/10 holte Lee fünf Siege, davon dreimal mit der Staffel und je einmal über 1000 m und 1500 m. Zudem errang er dreimal den zweiten und zweimal den dritten Platz und gewann damit die Weltcups über 1000 m und 1500 m. Bei den Olympischen Winterspielen 2010 in Vancouver gewann Lee den Auftaktwettkampf über 1500 m. Dabei stellte er bereits im Vorlauf einen neuen Olympischen Rekord auf, den er im Halbfinale noch einmal verbesserte. Im Finale sah es nach einem Dreifachsieg für Südkorea aus; Lee Jung-sus Teamkollegen Lee Ho-suk und Sung Si-bak brachten sich jedoch einander zu Fall und verloren so ihre Medaillenchancen. Der 20-Jährige entzog sich diesem Sturz und wurde Ahn Hyun-soos Nachfolger als Olympiasieger über diese Distanz. Bei den Teamweltmeisterschaften 2009 in Heerenveen und bei den Teamweltmeisterschaften 2010 in Bormio holte er jeweils die Goldmedaille. Im März 2010 holte er bei den Weltmeisterschaften 2010 in Sofia die Goldmedaille mit der Staffel. Nach dritten Plätzen in Salt Lake City über 1500 m und mit der Staffel zu Beginn der Saison 2011/12, siegte er in Moskau über 1500 m und belegte in Dordrecht den dritten Rang mit der Staffel. Beim Saisonhöhepunkt den Weltmeisterschaften 2012 in Shanghai gewann er die Bronzemedaille mit der Staffel. In der Saison 2014/15 kam er fünfmal in Weltcupeinzel unter die ersten Zehn. Dabei belegte er in Salt Lake City den dritten Platz über 1500 m und den ersten Rang in Seoul über 3000 m und erreichte zum Saisonende den fünften Platz im Weltcup über 1500 m. Bei den Weltmeisterschaften 2015 in Moskau wurde er Vierter mit der Staffel. Seine beste Platzierung in der Saison 2015/16 im Weltcup war der dritte Platz über 1500 m in Dordrecht.