Lille 21 czerwca 2017 Pépé podpisał pięcioletni kontrakt z Lille OSC, które według nieoficjalnych informacji miało za niego zapłacić około 10 milionów euro. Transfer ten został przeprowadzony na życzenie ówczesnego trenera klubu, Marcelo Bielsy, który obejrzał materiały z każdego meczu Ligue 1, w którym Pépé dotychczas wystąpił. Sam Pépé opisywał Bielsę jako „wyjątkowego” i „świetnego trenera”. Sezon 2017/18 rozpoczął on jako napastnik, jednak po zamianie szkoleniowca na Christophe Galtiera został przesunięty na pozycję skrzydłowego. Na przestrzeni całych rozgrywek Pépé opuścił tylko 2 mecze, zdobywając w międzyczasie trzynaście bramek, jednak samo Lille ledwo uniknęło spadku.
15 września 2018 Pépé zdobył hat-tricka w wygranym 3:2 meczu ligowym z Amiens SC. Kilka dni później prezydent Lille, Gérard Lopez, potwierdził, iż FC Barcelona była jednym z klubów zainteresowanych transferem Pépé. 14 kwietnia 2019 zdobył on gola oraz zaliczył dwie asysty podczas wygranego 5:1 spotkania ligowego z Paris Saint-Germain. Sezon 2018/19 zakończył on z 22 bramkami na koncie, ustępując pod tym względem tylko Kylianowi Mbappé. Zanotował on także 11 asyst i został wybrany przez UNFP najlepszym zawodnikiem sezonu.