Físicamente, se puede decir de Lie que era de estatura elevada y que presentaba los rasgos típicos del varón nórdico. Poseía una amplia barba rubia y sus ojos eran de color gris azulado, si bien necesitó desde muy temprano de su vida llevar anteojos.

Con respecto a su forma de ser y en opinión de Cartan, algunas de las virtudes que adornaban a Lie eran la confianza que daba a los que le rodeaban y su firmeza y lealtad. No le preocupaba reconocer su ignorancia en las ramas de las matemáticas con las que no estaba familiarizado, aunque eso no le impedía ver su valor. Como parte negativa habría que resaltar que no era una persona de trato fácil, sobre todo tras la profunda depresión que sufrió en Leipzig en 1890. Aunque poco a poco se restableció de ella y retornó a la actividad, según Engel, su carácter había sufrido alteraciones, en especial había adquirido una susceptibilidad extremada que le llevaba incluso a pensar que sus alumnos le robaban sus ideas.