Nata a New York, Lucy Liu ha frequentato la New York University e in seguito si è laureata in Lingue e Culture Asiatiche alla University of Michigan. Durante l'ultimo anno di università ha fatto un provino per una produzione teatrale dell'università che metteva in scena un adattamento di Andre Gregory di Alice in Wonderland. Sperava di essere presa per un ruolo secondario invece ottenne quello di protagonista e da lì prese il via la sua carriera di attrice.
La promettente carriera di Lucy Liu ha raggiunto il suo apice con la partecipazione al blockbuster della Columbia Tri-Star Charlie’s Angels e al sequel, Charlie’s Angels: Full Throttle (Charlie's Angels più che mai) con Cameron Diaz e Drew Barrymore. Il ruolo al fianco di Uma Thurman nel film di Quentin Tarantino per la Miramax, Kill Bill: Volume I ha sancito definitivamente la sua fama. Tra i film recenti interpretati da Lucy Liu, figuranoCode Name: The Cleaner con Cedric the Entertainer; Rise con Michael Chiklis; Watching the Detectives con Cillian Murphy; Domino con Keira Knightley e Lucky Number Slevin (Slevin patto criminale) a fianco di Josh Hartnett e Bruce Willis. La Liu ha partecipato anche a produzioni minori come 3 Needles, film composto da tre storie sulla piaga dell'Aids in diversi paesi. Ha recitato inoltre in Shanghai Noon (Pallottole cinesi) a fianco di Jackie Chan, Payback (Payback - La rivincita di Porter) a fianco di Mel Gibson, Play It to the Bone (Incontriamoci a Las Vegas) con Woody Harrelson, in Ballistic: Eck vs. Sever con Antonio Banderas, e in un ruolo ‘cammeo’ nel film Oscar Chicago. Apparirà nel film The Year of Getting to Know Us a fianco di Sharon Stone e Jimmy Fallon, presentato al Sundance Film Festival 2008.

In televisione la Liu ha interpretato il ruolo indimenticabile di Ling Woo nella serie della Fox Ally McBeal, che le è valso una nomination agli Emmy come Migliore Attrice non Protagonista in una serie comica, e una nomination agli Screen Actors Guild Award nella stessa categoria. Ha partecipato come guest-star a Sex and the City della HBO e a Joey, ha prestato la voce a serie animate tra cui The Simpsons, Futurama e King of the Hill. Di recente è apparsa nella parte di Grace Chin nella serie di successo Ugly Betty. Interpreta inoltre Mia Mason nella serie drammatica della ABC Cashmere Mafia, creata da Darren Star.
La Liu ha debuttato come produttrice con Freedom’s Fury, un documentario sulla semifinale olimpica di pallanuoto tra Ungheria e Russia del 1956. La partita, giocata in Australia mentre l'esercito russo era a Budapest, aveva suscitato una protesta popolare. L’attrice ha inoltre firmato un contratto che la vedrà interprete e produttore esecutivo di una versione attuale per il grande schermo di Charlie Chan per la Twentieth Century Fox.
Nel 2005, Lucy Liu è stata nominata Ambasciatrice UNICEF. Il suo impegno con l'UNICEF l'ha portata a visitare i superstiti del terremoto dell'8 ottobre 2005 che ha colpito la provincia nord occidentale del Pakistan. Nell'agosto del 2005 è andata nel Lesotho per visitare i bambini e le comunità affette dal virus HIV. E' tornata di recente da un viaggio nella Repubblica Democratica del Congo durante il quale ha toccato con mano la sofferenza della popolazione, in un paese lacerato da conflitti politici.