A los ocho años, Michele fue con una amiga a un casting abierto para un musical. Decidió por capricho que quería hacer la prueba. Le ofrecieron el papel y debutó en Broadway en 1995 como sustituta en el papel de Cosette joven en la representación de Los Miserables en Nueva York. Luego, en 1998, interpretó a la hija de Tateh, la Niña, en el reparto original de Broadway de Ragtime. En 2004, Michele interpretó a Shprintze y Chava en la reposición en Broadway del musical El violinista en el tejado. También cantó en la grabación del reparto de la reposición de Broadway de El violinista en el tejado de 2003.
Interpretó el papel de Wendla en la versión musical de Spring Awakening de Steven Sater y Duncan Sheik, protagonizando los primeros talleres hasta llegar al Off-Broadway y finalmente interpretando el papel en la producción de Broadway a la edad de 20 años. En la misma época en la que el espectáculo iba a ir a Broadway, le ofrecieron el papel de Eponine en la reposición en Broadway de Los Miserables. Decidió quedarse con Spring Awakening, que se estrenó en Broadway en diciembre de 2006. Fue nominada al Drama Desk Award por su actuación en Spring Awakening en la categoría de Actriz Destacada en un Musical.
El 18 de mayo de 2008, Michele abandonó Spring Awakening con su coprotagonista Jonathan Groff. Actuó en una lectura del nuevo musical de Sheik y Sater, Nerón, en julio de 2008 en el Vassar College. Del 8 al 10 de agosto de 2008, interpretó a Eponine en el concierto de Los Miserables en el Hollywood Bowl. Canta en las grabaciones del reparto original de Broadway de Ragtime y Spring Awakening.
Michele protagoniza la serie de televisión de la Fox Glee, en la que interpreta a la cantante estrella de un club glee de instituto, Rachel Berry. El piloto se estrenó el 19 de mayo de 2009. Ha ganado un premio del Sindicato de Actores de la Pantalla (Screen Actors Guild Award) por su destacada actuación en conjunto y el premio Satellite Award 2009 a la mejor actriz. También fue nominada a un premio Emmy, a dos nominaciones al Globo de Oro y al Teen Choice Award por su interpretación en el papel. Su versión de "Gives You Hell", de The All-American Rejects, alcanzó el top 40 del Billboard 200 estadounidense. Michele es la cantante principal de 14 de las 20 canciones más vendidas de Glee a partir de 2010.
Michele fue incluida en la lista de 2010 de la revista Time de las 100 personas más influyentes del mundo. FHM la nombró número 7 en la lista de las mujeres más sexys de 2010, lo que supuso el puesto más alto para una nueva entrada en la lista de ese año. ¡Michele fue nombrada en la lista de las mejor vestidas de 2010 de la revista People como "la novata" y fue votada como "la estrella con más estilo de 2010" por E! Online.
En 2010, Michele se unió al reparto de la película de animación Dorothy de Oz, poniendo voz al papel principal de Dorothy Gale. Ese mismo año, se unió al reparto de la comedia romántica de Garry Marshall Noche de fin de año.
Antes de la Super Bowl XLV, el 6 de febrero de 2011, interpretó "America the Beautiful" con los Air Force Tops In Blue.