Née d'un père homme d'affaires et d'une mère infirmière, Lilly Wachowski abandonne rapidement ses études, comme sa soeur aînée Lana, pour se consacrer au cinéma. Après un premier scénario rejeté par Hollywood mais dans lesquels les producteurs décèlent déjà une qualité certaine, elles couchent sur papier l'histoire d'Assassins (1995), centré sur un duel à mort entre deux tueurs à gages (Sylvester Stallone et Antonio Banderas). Si leur script est largement retouché et sa noirceur atténuée, le tandem fait son entrée dans le monde du cinéma et rencontre le prolifique Joel Silver, qui produit le métrage.

Décidées à tourner leurs films comme elles l'entendent, Lilly et Lana frappent un (premier) grand coup en 1996, avec le sulfureux Bound, dont elles signent le scénario, la mise en scène et la production. Elles reviennent vers Joel Silver avec un scénario qu'elles développent depuis cinq ans, dans lequel elles insufflent leur passion de la philosophie, de la mythologie, des mangas, des films hongkongais et du cinéma de science-fiction. A l'été 1999, Matrix est à la fois un carton au box-office (456 millions de dollars de recettes mondiales) et une révolution pour le cinéma d'action.

Assistées de Joel Silver, les Wachowski se lancent dans l'écriture et la pré-production de Matrix reloaded et Matrix revolution, deuxième et troisième volets de leur trilogie futuriste. Un long travail suivi d'un tournage simultané de 270 jours, pour une sortie événement en mai et novembre 2003. Parallèlement, elles participent à l'élaboration des comics tirés de la saga, imaginent le programme de courts métrages animés The Animatrix (signant le scénario de quatre des neuf segments qui le composent) et écrivent l'histoire de Enter the Matrix, un jeu vidéo pour lequel elles tournent une heure de scènes exclusives.

Outre leur statut de réalisatrices, elles n'hésitent pas à produire des longs métrages et à les scénariser, comme avec V pour Vendetta, réalisé par James McTeigue. On retrouve les deux réalisatrices en 2008 pour Speed Racer, l'adaptation du dessin animé du même nom, dans lequel leur patte futuriste et leur amour pour les couleurs vives s'illustrent pleinement. Le film est, contre toute attente, un échec cuisant en salles.

Relevant un nouveau défi, Lilly et Lana adaptent pour le grand écran le roman de David Mitchell Cloud Atlas, une fresque monumentale dans laquelle s'entrecroisent six récits à six époques différentes, qu'elles co-réalisent avec Tom Tykwer. Très original mais rencontrant un succès public assez léger, le long métrage marque l'ambition qui anime les films des Wachowski.

Elles enchaînent avec Jupiter Ascending, dont elles écrivent le scénario et pour lequel elles recrutent leurs collaborateurs habituels, notamment John Gaeta pour les effets visuels et Kym Barrett aux costumes. A sa sortie, le blockbuster emmené par les très demandés Channing Tatum, Mila Kunis et Eddie Redmayne récolte "seulement" 180 millions de dollars de recettes mondiales (pour un budget de 176 millions).

Après ce nouvel échec, les Wachowski créent la série de science-fiction Sense8 (2015 - 2018) dans laquelle huit individus aux quatre coins du monde sont connectés par une violente vision : ils se retrouvent capables de se voir, se sentir, s'entendre et se parler comme s'ils étaient au même endroit... Puis, Lana se lance en solo dans le quatrième opus de la saga Matrix : Matrix Resurrections. Lilly a expliqué pourquoi elle n'a pas souhaité y prendre part :

"Je venais de changer de sexe, j'étais complètement épuisée et mon monde était en train de s'écrouler, d'une certaine façon. Ma coquille se brisait. Donc j'ai eu besoin de m’éloigner de cette industrie. J’avais besoin de me reconnecter avec moi-même en tant qu'artiste, et pour le faire je suis retournée à l'école, j'ai fait de la peinture et d'autres trucs. Je n'avais pas envie d'avoir fait cette transition, d'avoir traversé de tels changements dans ma vie, d'avoir bien conscience d'avoir perdu mes parents et de revenir à quelque chose du passé, de retrouver cette route que j'avais déjà explorée."