I april 1940 invaderades och ockuperades Norge av Nazityskland som en del av Operation Weserübung. Lie organiserade sig då i motståndsrörelsen, och arbetade med att hålla de fria radiosändningarna igång. När den norska regeringen och kung Håkon VII evakuerades till Storbritannien i juni 1940 beslutade sig Lie för att stanna och fortsätta verka inom motståndsrörelsen i Oslo. Till följd av tyska massarresteringar flydde han till Sverige i september 1941, varifrån han sedan tog sig till London i januari 1942 och började arbeta för den norska exilregeringen. Under kriget uppehöll han sig även i USA.