Regista, sceneggiatore, produttore e montatore di origine argentina, si trasferisce in Cile fin da bambino cambiando continuamente città. Studia giornalismo all'Università per un anno, ma poi si diploma alla Scuola di Cinema Cilena (Escuela de Cine de Chile). Ha diretto numerosi cortometraggi e video musicali. Nel 2003 ha realizzato Cero, un documentario basato su materiale inedito sugli attentati dell'11 settembre a New York, co-diretto con Carlos Fuentes. Ha anche diretto due stagioni della fortunata serie Mi mundo privado insieme a Fernando Lavanderos, che segue le vite di varie famiglie cilene di diversa estrazione socio-economica ed è stata nominata due volte agli Altazor Awards e agli Emmy Awards.

Nel 2005 presenta in anteprima al San Sebastián International Film Festival il suo primo lungometraggio La Sagrada Familia, girato in tre giorni e vincitore di numerosi premi internazionali. Nel 2009, il suo secondo lungometraggio Navidad viene presentato in anteprima al Festival di Cannes, mentre nel 2011 porta al Festival di Locarno L' Anno della Tigre, film ambientato nel periodo successivo al terremoto del 2010 in Cile.
Il quarto lungometraggio di Lelio, Gloria, ha conquistato poi il premio per la miglior attrice (Paulina García) al Festival di Berlino 2013.