Lucy Alexis Liu 1968. december 2-án született Queensben, New Yorkban, az Egyesült Államokban, bevándorló szülők gyermekeként. Édesanyja pekingi, édesapja sanghaji születésű. Lucy ugyan amerikaiként nőtt fel, de mindig fontos volt számára az ázsiai kulturális öröksége is.

Liu a Stuyvesant High Schoolban érettségizett, majd a New York Universityn folytatta tanulmányait, ám egy év után átiratkozott University of Michiganre, ahol kínai irodalomból és kultúrából diplomázott. A képzésnek részét képezte a tradicionális ének, tánc, és színjátszás is.

Egyetemi évei alatt megkapta egy Alice Csodaországban főszerepét, ami miatt úgy döntött, hogy komolyabban is megpróbálkozik a színjátszással. A meghallgatások között pincérnőként dolgozott, majd végre lehetőséget kapott, hogy bemutatkozzon: első szerepét a Beverly Hills 90210 című sorozatban kapta – pincérnőként.

Ezt követően olyan szériákban láthattuk, mint a New York rendőrei, a Vészhelyzet, az X-akták vagy a Pearl.

A filmvásznon a Jerry Maguire - A nagy hátraarcban (1996) debütált, majd megkapta az Ally McBeal című sorozat főszerepét 1997-ben. Ennek köszönhetően széleskörű népszerűségre tett szert, és olyan színészekkel dolgozhatott együtt, mint Mel Gibson (Visszavágó – 1999) és Jackie Chan (Új csapás – 2000).

Karrierjében az áttörést a Charlie angyalai (2000) hozta meg számára, amiben Drew Barrymore és Cameron Diaz mellett játszotta a harmadik angyalt, de láthattuk a film 2003-as folytatásában is (Charlie angyalai: Teljes gázzal).

Liu szerepelt a 6 Oscar-díjas Chicago (2003) című musicalben, a Domino (2005), az Alvilági játékok (2006), a Csingiling (2008), a Kihez menjek? (2010) és A mintatanár (2011) című filmekben, de Quentin Tarantino is felfedezte magának. A színésznő mindkét két Kill Bill-filmben szerepet kapott (Kill Bill – 2003, Kill Bill 2. – 2004), illetve olyan animációs filmekben működött közre, mint a Kung Fu Panda (2008), a Kung Fu Panda 2. (2011) és Kung Fu Panda - The Midnight Stranger (2014).

Jelenleg a nagysikerű Sherlock Holmes-adaptációban, az Elementary (Sherlock és Watson) című televíziós szériában Watson szerepében láthatjuk.