Năm 17 tuổi, sau khi tốt nghiệp trường Đồng Khánh (nay là trường Trưng Vương, Hà Nội), bà sớm giác ngộ cách mạng. Công việc của bà là cùng đội phụ nữ cứu quốc đi tuyên truyền, vận động người dân ủng hộ cách mạng.
Sáng 2/9/1945, bà Thi đến từng gia đình vận động người dân tham gia cuộc mít tinh vào buổi chiều. Đúng 14h, bà dẫn đầu đoàn phụ nữ cứu quốc tiến về quảng trường Ba Đình.
Trong cuộc gặp gỡ với phóng viên VnExpress năm 2010, bà Thi từng chia sẻ: "Tôi dẫn đầu, đi ở ngoài hàng, vừa đi vừa hô Một hai, một hai, thi thoảng lại hô khẩu hiệu Ủng hộ Việt Minh, ủng hộ Việt Minh!. Vậy là chị em lại hô theo: Việt Minh, Việt Minh!".
Hôm ấy bà mặc áo dài trắng, đi giày ba ta trắng. Đoàn phụ nữ được đứng vị trí đầu tiên. Gần 14h30, một cán bộ trong Ban tổ chức đến thông báo cử một người lên kéo cờ. Tất cả ngơ ngác nhìn nhau, không ai xung phong lên. Cuối cùng, mọi người đồng thanh hô bà Thi lên.
Bà Thi từng nhớ lại, cột cờ ở phía trên bục lễ đài, đường lên ở phía sau. Bà phải bước lên nhiều bậc cầu thang gỗ để tiến đến chân cột cờ. Khi đến nơi, có một nữ giải phóng quân mặc áo chàm chờ sẵn.
Nhìn lá cờ khá to, chị kia lại thấp hơn mình nên bà Thi phân công: "Chị thấp, chị nâng cờ, em cao, để em kéo cờ". Vừa lúc đó nhạc quốc ca cất lên, hai người bắt đầu kéo cờ. Khi nhạc quốc ca vừa dứt thì cờ đỏ sao vàng cũng lên tới đỉnh cột, tung bay phấp phới.
Sau ngày độc lập, năm 1956, bà Lê Thi được cử đi học lớp lý luận cao cấp đầu tiên của trường Nguyễn Ái Quốc (nay là Học viện Chính trị quốc gia Hồ Chí Minh). Tốt nghiệp loại ưu, bà được giữ lại làm giảng viên.
Bà được phong giáo sư triết học, sau đó làm Viện trưởng Viện Triết học Việt Nam. Khi về hưu, bà cùng một số người sáng lập trung tâm nghiên cứu phụ nữ và gia đình, sau này chuyển thành Viện Gia đình và Giới.
