Diplômé de l'Université McGill en littérature et du European Film College (Danemark), Philippe Lesage fait ses débuts dans le cinéma comme réalisateur de documentaires. En 2006, il réalise un premier long métrage, Pourrons-nous vivre ensemble ?, sur le sociologue Alain Touraine et la crise des banlieues parisiennes.
En 2008, il retourne au European Film College pour y enseigner le documentaire. Entre-temps, deux autres films se succèdent : Comment savoir si les petits poissons sont heureux ?, qu'il réalise avec son frère Jean-François Lesage, et Ce cœur qui bat (2010). Sélectionné aux Rencontres internationales du documentaire de Montréal 2010, Ce cœur qui bat y remporte le prix de la meilleure œuvre québécoise/canadienne et celui du Meilleur espoir Québec/Canada. En , une rétrospective des films de Philippe Lesage intitulée Découvrir Lesage a lieu à la Cinémathèque québécoise.
Ce cœur qui bat remporte le Prix Jutra 2012 dans la catégorie meilleur long métrage documentaire. Il se consacre après à l'écriture et à la réalisation de deux longs métrages de fiction semi-autobiographiques qu'il tourne successivement: Copenhague A Love Story et Les Démons.
Lors de l'édition 2016 des Rendez-vous du cinéma québécois, le film remporte le Prix Gilles-Carles ainsi que le Prix Luc-Perreault du meilleur film québécois 2015 selon l'AQCC. Au printemps 2016, Philippe Lesage reçoit deux prix internationaux : le Breaking The Waves Award du Titanic International Film Festival de Budapest en Hongrie, ainsi que le Golden Gate New Directors Prize au Festival international du film de San Francisco.
En 2024, son film Comme le feu est présenté en première mondiale à la Berlinale dans la catégorie Génération. Le film y remporte le Grand Prix du Jury International[1].