Nicole Evangeline Lilly 1979. augusztus 3-án született Fort Saskatchewanban,a kanadai Albertában, egyszerű és szerény körülmények között élő hívő keresztény család gyermekeként.

Evangeline a University of British Columbian nemzetközi kapcsolatokat hallgatott, és hogy fizetni tudja a tandíjat, leszerződött a Ford Modeling Agencyhez, és több sorozatban és filmben vállalt kisebb szerepeket. Emellett dolgozott pincérnőként és stewardessként is. Az egyetem alatt is foglalkoztatták az emberi jogok, egy misszionárius csoporttal pedig egészen a Fülöp-szigetekig jutott, ahol hónapokig élt és dolgozott.

2004-ig gyakorlatilag teljesen ismeretlen volt, amikor megkapta a Lost című sorozat egyik főszereplőjének, Kate Austen szerepét, ami meghozta számára a világhírt, és többször választották be a legvonzóbb színésznők közé.

A Lost után olyan filmekben vállalt szerepet, mint a Szerelem életre-halálra (2008), A bombák földjén (2008) és a Vasököl (2011), melyben Hugh Jackman oldalán láthatta a közönség. Ezután két nagy hollywoodi szuperprodukció következett: A hobbit: Smaug pusztasága (2013) és A hobbit: Az öt sereg csatája (2014), amelyekben egy tündét, Taurielt alakítja, aki ugyan az eredeti Tolkien-könyvben nem, szerepel, de forgatókönyvírók miatta hozták létre a karaktert. A filmszerep kedvéért meg kellett tanulnia tündéül.

Evangeline szerepet kapott a 2015-ben debütáló A Hangya (2015) című akciófilmben is.

Párja, Norman Kali, rendező-asszisztens, akivel 2010. óta élnek együtt. Egy kisfiuk van, Kahekili, aki 2013-ban született.