Эванджелин Лилли родилась 3 августа 1979 года в канадском городе Форт-Саскачеван в семье преподавателя экономики и продавца косметики.
С 14 лет Лилли занималась волонтерством, в 18 — отправилась в филиппинские джунгли в составе миссионерской группы, где жила в травяной хижине. Долгое время была стюардессой во французской компании Royal Aviation. Также подрабатывала официанткой, учительницей в школе, автомехаником и моделью, чтобы оплатить учебу на факультете международных отношений в Университете Британской Колумбии.
«Могу и колесо поменять, и масло в двигателе. Да что уж скоромничать, и генератор заменю легко, если нужно. Я родилась и выросла в Канаде, и моя семья часто еле-еле сводила концы с концами. Я жила в самом бедном районе города, ездила на машине с выбитыми стеклами и питалась в основном бутербродами с арахисовой пастой. В общем, не шиковала», — поделилась актриса в интервью «7дней.ru».
Карьера в кино началась в начале 2000-х с крошечных ролей в фильмах «Лиззи Магуайер» и «Фредди против Джейсона». Тогда же она промелькнула в сериале «Тайны Смолвиля» в составе массовки. После нескольких более значительных работ на экране в 2004 году Лилли получила главную роль в сериале «Остаться в живых», сыграв Кейт Остин. Эта работа прославила девушку. За эпизод она получала до $80 тыс. Ее номинировали на «Золотой глобус» как «Лучшую драматическую актрису».
Сериал закончился в 2010 году. Еще во время съемок актриса запланировала закончить карьеру и продолжить деятельность в качестве гуманитарного работника. Однако после этого она снялась еще в примерно 10 картинках, в том числе сыграла эльфийку Тауриэль в трилогии «Хоббит», а в фильмах «Мстители: Финал» и «Человек-муравей и Оса: Квантомания» сыграла Хоуп ван Дайн/Осу.
В июне 2024-го Лилли заявила в соцсетях, что завершает актерскую карьеру и хочет посвятить себя дхарме (буквально переводится как «то, что удерживает или поддерживает»; в зависимости от контекста, может означать «нравственные устои», «религиозный долг», «универсальный закон бытия», «предназначение души» и прочее. – «Газета.Ru»). При этом она не исключила, что может вернуться к съемкам позднее.
С 2003 по 2004 год Лилли была замужем за канадским хоккеистом Мюрреем Хоуном. После расставания встречалась с актером Домиником Монаганом, исполняющим роль Чарли в «Остаться в живых». Пара рассталась в 2009 году. А в 2010 актрису стали часто видеть с ассистентом режиссера этого сериала Норманом Кали. Они до сих пор вместе и воспитывают двух сыновей.
В свободное время актриса занимается спортом и пишет детские книги.