Lucy Gordon débute sa carrière cinématographique en 2001 dans Perfume, un drame qui plonge durant une semaine dans le monde de la mode, auprès des mannequins, photographes et journalistes. La même année, l'actrice britannique apparaît dans la comédie romantique Un amour à New York. En 2002, la comédienne décroche le second rôle dans le drame Frères du désert : elle y incarne une jeune femme amoureuse secrètement de Wes Bentley, un lieutenant de l'armée déjà marié.

Deux ans plus tard, dans Les Poupées russes de Cédric Klapisch, l'actrice tombe sous le charme de Romain Duris, un écrivain chargé d'écrire sa biographie. Elle rejoint en 2007 le casting de la superproduction de Sam Raimi, Spider-Man 3 en entrant dans la peau d'une journaliste TV. En 2009, elle campe la belle de Cinéman, celle pour laquelle Franck Dubosc voyage à travers des films légendaires. Elle se voit également confier le rôle de Jane Birkin dans Serge Gainsbourg (vie héroïque), un biopic consacré au chanteur français signé Joann Sfar.

Deux jours avant son 29e anniversaire, le 20 mai 2009, elle met fin à ses jours dans son appartement parisien.