Nata nel Queens, New York, Lucy Liu ha frequentato la NYU, e in seguito si è laureata in Lingue e Culture Asiatiche alla University of Michigan. Durante l'ultimo anno, fece un provino per una produzione teatrale dell'Università che metteva in scena "Alice in Wonderland" di Andre Gregory. Sperava di ottenere un ruolo secondario, invece Lucy ottenne quello della protagonista e da lì la sua carriera di attrice prese il via.

Ruoli decisivi in serie tv e cartoon
In televisione, Lucy è apparsa nel ruolo indimenticabile di Ling Woo nella famosa serie della Fox Ally McBeal. (1998-2001) Questo ruolo l'ha resa immensamente popolare sia nell'industria dello spettacolo che fra il pubblico. Nel 1999 è stata nominata all'Emmy Award come "Outstanding Supporting Actress in a Comedy Series" e nel 2000 ha ricevuto uno Screen Actors Guild Award per la stessa categoria (Migliore Attrice in una serie comica). È stata guest star in Sex and the City ed ha prestato la voce per alcune popolari serie animate fra cui The Simpsons, Futurama, e King of the Hill.

Sul grande schermo
Dopo aver interpretato importanti ruoli da non protagonista in film quali La spirale della vendetta (City of Industry) (1997) e Gridlock'd - Istinti criminali (Gridlock'd) (1997), la Liu ha colpito il pubblico nel ruolo della malvagia dominatrice al fianco di Mel Gibson in Payback (1999) e nel ruolo da protagonista affianco ad Antonio Banderas e Woody Harrelson, nel film della Touchstone Pictures, Incontriamoci a Las Vegas (Play It To The Bone) (1999). La sua promettente carriera ha raggiunto l'apice nel 2000 quando è stata scritturata al fianco di Cameron Diaz e Drew Barrymore nel blockbuster Charlie's Angels. È inoltre apparsa quello stesso anno insieme alla leggenda delle arti marziali Jackie Chan nella commedia della Universal Pallottole cinesi (Shanghai Noon). Nel 2002 la Liu ha interpretato insieme ad Antonio Banderas il film della Warner, Ballistic, il musical della Miramax vincitore di Oscar, Chicago e Charlie's Angels 2 più che mai. Ha firmato poi un accordo per produrre a livello esecutivo e interpretare la versione per il grande schermo di Charlie Chan per la 20th Century Fox. Inoltre Quentin Tarantino l'ha chiamata nel suo Kill Bill e nel sequel, Kill Bill 2. Nel 2007 non abbandona il genere tarantiniano: interpreta, infatti, la ragazza della porta accanto in Slevin - Patto criminale, al fianco di Josh Hartnett e Morgan Freeman. Torna alla tv per qualche anno nelle serie di successo Dirty Sexy Money e Cashmere Mafia per poi scegliere nuovamente il grande schermo nel film Un giorno questo dolore ti sarà utile (2012), diretta da Roberto Faenza, il film di Tony Kaye Detachment - Il distacco e quello di RZA L'uomo con i pugni di ferro.