Originaire du Texas, Liana Liberato est précocement jetée dans le bain du théâtre. En effet, à l'âge de trois ans, sa mère l'inscrit au Broadway Bound, un centre qui forme ses adhérents aux métiers artistiques et leur apprend à créer un spectacle de toutes pièces.

Tombée dedans quand elle était toute petite, c'est tout naturellement qu'elle se retrouve d'abord à la télévision, à l'âge de dix ans, dans les séries Cold Case : affaires classées, Les Experts : Miami et The Inside : dans la tête des tueurs. Puis au cinéma un peu plus tard, dans le drame d'époque The Last Sin Eater (2007) dans lequel elle incarne une fillette de dix ans qui se lance à la recherche d'un démon.

Son premier grand rôle remarqué, la jeune actrice le doit à David Schwimmer, le "Ross" de la série Friends, qui, pour son deuxième long-métrage, Trust (2010), propulse la comédienne dans la peau de Annie, une adolescente de quatorze ans qui croit chatter avec Charlie, un gamin de son âge tout aussi passionné qu'elle pour le volleyball, mais qui s'avère être un professeur de physique de quarante ans.

L'année suivante, elle joue la fille d'un couple fortuné (Nicolas Cage et Nicole Kidman) pris en otage par de faux policiers dans le thriller Effraction. Puis campe de nouveau une fille rebelle, Amy, dont le père (Aaron Eckhart), un ancien membre de la CIA, est victime d'une traque sans merci.

Pour la première fois depuis le début de sa carrière, Liana Liberato se confronte à la comédie dramatique avec Stuck in Love de Josh Boone dans laquelle elle tient un rôle secondaire dans une des romances du film. Suivent deux autres films indépendants : Free Ride avec Anna Paquin, l'histoire vraie d'une mère célibataire prise dans un trafic de drogue dans les années 70, et le film d'épouvante Blue Skeleton.

En 2014, l'actrice est à l'affiche de If I Stay, aux côtés d'une actrice à peine plus jeune qu'elle, la star montante Chloë Grace Moretz. Elle apparaît ensuite dans Une seconde chance, Dear Eleanor, Novitiate, To the Bone et 1 Mile to You. Liana incarne aussi l'héroïne de la série Light as a Feather, où cinq adolescentes déclenchent des événements tragiques après avoir joué à un jeu dans un cimetière.

En 2023, la comédienne est à l'affiche de Scream VI, aux côtés de la superstar du moment Jenna Ortega.