Lucy Alexis Liu se narodila 2. prosince 1968 v Queensu v New Yorku, jako nejmladší ze tří dětí čínských imigrantů. Její otec byl inženýr a matka biochemička. V dětství mluvila plynule mandarínsky a angličtinu se začala učit až v pěti letech, což svědčí o silných vazbách na její kulturní kořeny, i když vyrůstala v Americe. Po absolvování prestižní Stuyvesant High School na Manhattanu studovala na New York University a později získala bakalářský titul z asijských jazyků a kultur na University of Michigan. Už během studií se objevila ve školní divadelní hře Alenka v říši divů, což ji nasměrovalo k herectví.

Kariéru v televizi odstartovala drobnými rolemi na začátku 90. let, kdy se objevila v populárních seriálech jako Beverly Hills 90210 a Pohotovost. Nicméně, globální průlom a definitivní posun do první herecké ligy přišel až s rolí Ling Woo v kultovním právnickém seriálu Ally McBealová (1998–2002). Její ostrý a dominantní charakter jí vynesl nominaci na cenu Emmy a stal se jednou z nejoblíbenějších postav seriálu, čímž si vydobyla reputaci drsné a charismatické herečky.

Po úspěchu v televizi se Lucy Liu etablovala i na filmovém plátně, často ve vizuálně výrazných a akčních rolích. Hvězdné postavení si upevnila rolí agentky Alex Munday v akčních komediích Charlieho andílci (2000) a Charlieho andílci: Na plný pecky (2003) po boku Cameron Diaz a Drew Barrymore. Svou schopnost ztvárnit nebezpečné postavy naplno potvrdila ve filmu Quentina Tarantina Kill Bill (2003), kde ztvárnila chladnokrevnou Yakuze bosku O-Ren Ishii, za kterou získala řadu ocenění. Objevila se také v muzikálu Chicago (2002).

V novějším období se Liu úspěšně vrátila k televizním seriálům, zejména rolí Dr. Joan Watsonové v moderní adaptaci příběhů Sherlocka Holmese s názvem Jak prosté (Elementary, 2012–2019), kde hrála po boku Jonnyho Lee Millera. Během sedmi sérií seriálu také několik epizod režírovala. Její filmografie zahrnuje i dabing postavy Zmije v animované sérii Kung Fu Panda. Kromě herectví a režie se věnuje také výtvarnému umění, maluje a vystavuje pod svým čínským jménem Yu Ling. Je také svobodnou matkou syna Rockwella, který se narodil v roce 2015 za pomoci náhradní matky. V roce 2019 byla její kariéra oceněna hvězdou na Hollywoodském chodníku slávy.