Во время учебы Уоннелл познакомился с Джеймсом Ваном, и эта встреча оказалась в некотором смысле судьбоносной. Работал кинокритиком на австралийских телешоу, включая «Recovery» телеканала ABC. Играл эпизодическую роль в фильме «Матрица: Перезагрузка», а также озвучил персонажа из игры «Enter the Matrix».
В качестве зачётной работы Ли и Джеймс Ван написали сценарий к фильму «Пила» и сняли короткометражный фильм по «Пиле». Их руководитель был настолько впечатлён увиденным, что отправил в Голливуд. Отправил и забыл. Через несколько месяцев пришло письмо, в котором говорилось, что Вана и Уоннелла приглашают снимать фильм по их сценарию.
После успеха первой части Ли хотел отказаться от работы над сиквелом, однако поддался искушению. Так появилась «Пила II» . Ли также написал сценарий и к «Пила III», после чего он больше не был сценаристом следующих частей серии. Но после этого Уоннелл, смотря на Вана, который уже вовсю занимался собственными проектами, независимыми от других фильмов, тоже занялся своей карьерой.
Так, в 2007 году вышел фильм «Мёртвая тишина», над которым он работал вместе с Джеймсом Ваном (последний является не только сценаристом, но ещё и режиссёром фильма). В 2008 году вместе с Джеймсом Ваном, снимают пяти минутную короткометражку «Собачий рай», в которой Ли Уоннелл играет главную и почти единственную роль.
В 2008 году актер сыграл главную роль в триллере Джоди Двайера «Вымирающая порода» («Dying Breed»). В драме 2009 года «Прости» («The Pardon») режиссера Тома Антона, Уоннеллу также достался один из главных персонажей.
Известно, что во время работы над самым своим знаменитым детищем — «Пилой» Ли Уоннелл довольно сильно страдал мигренями, и был вынужден проходить лечение. Пережитые вместе с болезнью ощущения, а также впечатления от встреченных людей со страшными диагнозами стали основой для новой работы Уоннелла — фильма «Рентген» («X-Ray»).