Sammen med Dudley Herschbach og John Polanyi, mottok Lee Nobelprisen i kjemi i 1986 for arbeidet med dynamikken hos kjemiske elementærprosesser. De tre detaljstuderte det dynamiske forløpet i ulike kjemiske reaksjoner og har dermed økt kunnskapen om hvordan slike kjemiske reaksjoner skjer.