Après des études au Conservatoire du 5è arrondissement de Paris, Lionel Dray intègre en 2006 le Conservatoire National Supérieur d’Art Dramatique ; il a comme enseignant.es Dominique Valadié, Yann-Joël Collin, Pascal Collin et Nada Strancar. À sa sortie du conservatoire, il joue dans les spectacles de Jeanne Candel avec la vie brève : Robert Plankett, Nous brûlons, Dieu et sa maman et Demi-Véronique.
Il travaille depuis 2013 dans les créations de Sylvain Creuzevault, Le Capital et son Singe, Angelus Novus Antifaust, Les Tourmentes et Banquet Capital. Il joue également dans les créations de Samuel Achache, Original d‘après copie perdue (2020) et Sans Tambour (2022).
Il crée son premier spectacle Les Dimanches de Monsieur Dézert en août 2018, au Festival théâtre rate, et est en tournée depuis. Puis il crée en 2021 avec Clémence Jeanguillaume le spectacle Ainsi la Bagarre.