El Sr. Yoon, un novato político de 61 años y declarado antifeminista, ganó con el 48,59 % de los votos frente al 47,80 % del Sr. Lee.
Aproximadamente el 98% de las papeletas se habían contado a las 4 a.m. hora local.
El candidato del Partido del Poder Popular obtuvo una estrecha victoria de 0,8 puntos porcentuales, o 263.000 votos, lo que convierte a la carrera presidencial en una de las batallas electorales más reñidas en la historia del país.
Yoon dijo que fue una «victoria para las grandes personas» mientras agradecía a los seguidores frente a su casa en la capital, Seúl, y la describió como una «larga noche».
«La gente me colocó aquí con la esperanza de creer que no he cedido ante ningún poder por la equidad y la justicia durante 26 años», dijo Yoon en un discurso sobre su carrera como fiscal.
En una conferencia televisada el jueves por la mañana, Yoon dijo que consolidaría una alianza con Estados Unidos y «trataría con firmeza el comportamiento erróneo e irrazonable» de Corea del Norte.
«Estableceré una fuerte capacidad militar para disuadir por completo cualquier provocación y proteger la seguridad y la propiedad de las personas, así como nuestro territorio y soberanía», dijo Yoon.
«Abordaré con firmeza el comportamiento erróneo e irrazonable de Corea del Norte de una manera basada en principios, aunque siempre dejaré la puerta abierta para las conversaciones Sur-Norte».
Sus comentarios se produjeron después de hablar por teléfono con el presidente de los Estados Unidos, Joe Biden.
Ninguno de los principales candidatos presidenciales, que buscaban reemplazar al actual presidente Moon Jae-in, fue visto como particularmente popular durante la campaña en medio de una ola de insatisfacción con las políticas económicas, los escándalos y las guerras de género del país.
Con el aumento de los precios de la vivienda y la creciente desigualdad en el centro de la frustración de los votantes, las elecciones del miércoles vieron una alta participación con el 77% de los votantes emitiendo sus votos.
La victoria de Yoon marca el regreso de los conservadores al poder después de cinco años. El Partido del Poder Popular estaba en ruinas después de la destitución de su líder, la expresidenta Park Geun-hye, a quien Yoon ayudó a condenar y encarcelar por corrupción.
Yoon también está acostumbrado a enfrentarse a otro expresidente, Lee Myung-bak, y a un empresario y heredero de Samsung, Lee Jae-yong, lo que lo convierte en el favorito dentro del partido para organizar su renacimiento.
Prometió abolir el Ministerio de Igualdad de Género y Familia del país, una medida que podría resultar controvertida ya que el ministerio brinda servicios familiares, educación y atención social para niños.
La campaña de Yoon también reveló la profunda división del país en cuestiones de género, ya que dependía en gran medida del apoyo de los hombres jóvenes, algunos de los cuales creen que no hay discriminación de género en Corea del Sur.
Las encuestas a boca de urna mostraron que Yoon tenía el apoyo del 58,7% de los hombres veinteañeros, en comparación con el 36% de Lee. Al mismo tiempo, el Sr. Yoon recibió el apoyo de 33,8 mujeres, en comparación con el 58 % del Sr. Lee.
«El amplio apoyo que Yoon disfruta de los hombres jóvenes es, francamente, absolutamente aterrador desde la perspectiva de una mujer», dijo a la AFP el académico y votante Keung Yoon Bae.
Es probable que Yoon, quien prometió una postura más dura sobre Corea del Norte, enfrente un importante desafío de política exterior por parte del liderazgo de Kim Jong-un.
Corea del Norte ha llevado a cabo decenas de pruebas de misiles desde principios de este año. Se espera que la retórica divisiva de Yoon contra su vecino nuclear aumente las tensiones entre los dos países.
Corea del Norte aún tiene que comentar sobre la victoria electoral de Yoon.