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Jéf Bueno
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Não tem muito mistério. Sem conhecer os detalhes de como funciona a linguagem é só medindo e fazendo uma média pra ter uma base de qual é mais rápido.

Nos meus testes, com um milhão de registros, primeiro caso foi mais rápido, levando uma média de de 25 ms a cada execução, o segundo ficou com uma média de 35ms por execução.

Um detalhe importante é que você está fazendo bem errado no segundo caso, é melhor converter o retorno do Where para uma lista usando o método .ToList(), senão a comparação fica injusta porque vai ser necessário fazer dois loops pela lista.

O código que eu usei pra testar foi este:

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;

public class Program 
{
    static List<string> lista = new List<string>();
    public static void Main (string[] args)
    {
        PopularLista();
        
        Console.WriteLine(lista.Count);
        
        Caso1();
        Caso2();
    }

    private static void Caso1()
    {
        var watch = System.Diagnostics.Stopwatch.StartNew();
        
        var chaves = new List<string>();
        foreach(var item in lista)
        {
            if(!string.IsNullOrEmpty(item))
            {
                chaves.Add(item);
            }
        }
        
        watch.Stop();
        var ms = watch.ElapsedMilliseconds;
        Console.WriteLine("Caso 1: " + ms + " ms");
    }
    
    private static void Caso2()
    {
        var watch = System.Diagnostics.Stopwatch.StartNew();
        
        var listaValida = lista.Where(x => !string.IsNullOrEmpty(x)).ToList();   
        
        
        watch.Stop();
        var ms = watch.ElapsedMilliseconds;
        Console.WriteLine("Caso 2: " + ms + " ms");
    }
    
    private static void PopularLista()
    {
        for(int i = 0; i < 1000000; i++)
        {
            lista.Add((i % 2 == 0) ? "Teste" : "");
        }            
    }        
}

Você pode rodar os testes no repl.it.

Jéf Bueno
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