Lucy Alexis Liu wurde 1968 im New Yorker Stadtteil Queens geboren. Die Tochter eines Bauingenieurs und einer Biochemikerin aus Taiwan wuchs gemeinsam mit ihrem Bruder in Jackson Heights auf. Da die Familie zuhause ausschließlich Mandarin sprach, erlernte Liu die englische Sprache erst mit dem fünften Lebensjahr. Nach dem Besuch der "Joseph Pulitzer Middle School" schloss Lucy Liu 1986 die renommierte "Stuyvesant High School ab". Danach studierte sie an der "New York University" sowie der "University of Michigan". Ihren akademischen Werdegang beendete sie mit dem "Bachelor of Science" im Fach "Asiatische Sprache und Kultur". Während des Studiums hatte sich Liu als Kellnerin über Wasser gehalten.
Erste schauspielerische Erfahrungen sammelte Lucy Liu 1989 im Rahmen der Produktion "Alice im Wunderland" an der "University of Michigan". Nachdem sie 1991 eine Gastrolle in "Beverly Hills, 90210" ergattern konnte, fand die Schauspielerin allmählich Gefallen an der Arbeit vor der Kamera. Es folgten weitere Nebenrollen in bekannten TV-Serien, darunter "L.A. Law" , "Coach", "Hör mal, wer da hämmert" und "Emergency Room".
Mit der Zeit ergatterte die Schauspielerin auch Engagements in größeren Kinoproduktionen, so beispielsweise "Payback" mit Mel Gibson und "Ein wahres Verbrechen" mit Clint Eastwood. Zum Jahrtausendwechsel spielte Lucy Liu eine Nebenrolle in "Shang-High Noon" mit Jackie Chan und Owen Wilson. Im selben Jahr wurde sie für die Hauptrolle im Serien-Remake "3 Engel für Charlie" verpflichtet. Der von den Kritikern zerrissene, kommerziell jedoch erfolgreiche Actionfilm markierte Lius internationalen Durchbruch. Fortan spielte Liu in Filmen wie "Kill Bill" und "Domino" mit. Neben ihrem Engagement als Sprecherin (unter anderem "Tinker Bell" und "Kung Fu Panda") war die Schauspielerin anschließend wieder häufiger in TV-Serien wie "Southland" zu sehen.