Née dans une famille de classe moyenne de Glencoe en Illinois, Lili Taylor grandit parmi cinq frères et soeurs et étudie au lycée de New Trier, lycée par lequel Rock Hudson passa lui aussi. Puis, elle quitta le foyer familial pour étudier le théâtre à l'Université de Chicago.

Son premier rôle dans un long-métrage date de 1988 avec le film Mystic Pizza qui révèle aussi Julia Roberts. Elle se fait alors remarquer dans un bon nombre de productions de haut niveau artistique tel Né un 4 juillet, Arizona Dream, Short cuts, Prêt-à-porter. Mais c'est en 1995 qu'elle obtient son premier rôle principal, celui de Kathleen, vampire étudiante en philosophie, dans le film culte d'Abel Ferrara: The Addiction. Elle retrouvera le puissant réalisateur New-Yorkais 4 ans plus tard pour un court-métrage méconnu traitant de la fin du monde à l'approche du passage au nouveau millénaire.

Icône du cinéma underground, elle ne dédaigne pas pour autant le grand public, passant de la screwball comedy (The Impostors) au film fantastique à gros budget (Hantise). Après quelques passages à la télévision dans des séries, notamment Six feet under, on la retrouve dans le film Factotum, adapté d'un roman de Charles Bukowski puis en 2006 dans le deuxième long-métrage de Vincent Perez, The Secret. Dans le film The Promotion, en 2008, Lili Taylor incarne la femme écossaise de John C. Reilly avant de se glisser sous l'uniforme du Shérif Lillian Holley qui met le braqueur de banque John Dillinger (Johnny Depp) derrière les verrous, dans le Public Enemies de Michael Mann.