Evangeline Lilly est née dans une petite ville du Canada. Alors qu'elle fait ses études supérieures à la British Columbia, elle est repérée par l'agence de mannequinat Ford. Dans le même temps, elle étudie l'art dramatique à la Yaletown Actors Lab de Vancouver. Elle débute sa carrière d'actrice à la télévision avec des petits rôles dans That '70s Show (2000) et Smallville, ainsi qu'au cinéma dans des films aussi différents que Freddy contre Jason (2003) et F.B.I. Fausses Blondes Infiltrées (2004).

Mais c'est son personnage de Kate Austen, fugitive au grand cœur dans la série Lost, les disparus (2004-2010), qui lui offre une importante visibilité et une notoriété mondiale. L'actrice parvient ensuite à trouver des rôles d'importance, comme c'est le cas dans Démineurs (2008), film oscarisé de Kathryn Bigelow et surtout dans Et après, où elle joue la compagne de Romain Duris.

Evangeline Lilly change complètement de style avec le blockbuster Real Steel (2011) aux côtés de Hugh Jackman avant de se mettre dans la peau d'une elfe dans la trilogie Le Hobbit (2012). Durant les trois volets de la saga basée sur le roman de J.R.R. Tolkien, l'actrice interprète ce personnage féérique lui assurant de nouveau une visibilité certaine depuis l'arrêt de Lost, les disparus.

En 2015, Evangeline Lilly joue Hope Van Dyne dans le blockbuster Marvel Ant-Man aux côtés de Paul Rudd. Un personnage qu'elle reprend dans Ant-Man et la Guêpe (2018), Avengers: Endgame (2019) et Ant-Man and The Wasp: Quantumania (2022). Parallèlement, la Canadienne mène une carrière discrète, ce qui ne l'empêche pas de jouer dans la comédie horrifique Little Evil (2017) pour Netflix et de donner la réplique à Gary Oldman et Armie Hammer dans le thriller Crisis (2020).