Née de l'union de Steve Tyler, chanteur du groupe Aerosmith, et de la playmate Bebe Buell, Liv Tyler débute dès ses quatorze ans une carrière de mannequin pour les marques Chanel et GAP. Après avoir participé au vidéo-clip Crazy d'Aerosmith aux côtés d'Alicia Silverstone, elle se tourne vers le cinéma et apparaît en 1994 dans le thriller Silent Fall, aux côtés de Richard Dreyfuss. Elle décroche ensuite d'autres petits rôles, notamment dans la première réalisation de Tom Hanks, That Thing You Do (1996), et dans U-Turn, ici commence l'enfer (1997) d'Oliver Stone.

La carrière de Liv Tyler décolle en 1996 avec Beauté volée, de Bernardo Bertolucci, qui révèle sa fraîcheur au monde entier lors du Festival de Cannes. Après un passage par le blockbuster hollywoodien Armageddon (1998) aux côtés de Bruce Willis, elle revient à des productions indépendantes, tournant à deux reprises sous la direction de Robert Altman, dans Cookie's Fortune (1999) et Docteur T et les femmes (2000).

Liv Tyler s'essaie également au film en costumes avec Onegin (1999), puis s'illustre en superbe elfe dans la trilogie fantastique du Seigneur des anneaux de Peter Jackson. En 2003 et 2005, la belle côtoie les frères Affleck, Ben dans la romance Père et fille et Casey dans le film indépendant Lonesome Jim de Steve Buscemi, avant de céder aux avances de L'Incroyable Hulk en 2008.