Nicole Evangeline Lilly przyszła na świat 3 sierpnia 1979 roku w Fort Saskatchewan, w Kanadzie. Wychowywała się z dwiema siostrami w rodzinie nauczyciela ekonomii i kosmetologa. W młodości postrzegana była jako chłopczyca. Rówieśnicy nazywali ją "Małpką", ze względu na jej umiejętności szybkiego wspinania się na drzewa. Uczęszczała do trzech szkół podstawowych: Fort Elementary, Rudolph Hennig i James Mowat Elementary. Po ukończeniu szesnastu lat wyprowadziła się z domu i zaczęła żyć na własną rękę. Przez pewien czas pracowała jako misjonarka w dżungli na Filipinach. Zaoferowano jej stałą pracę przez dwa lata, jednak odrzuciła propozycje i wróciła do Kanady. Wkrótce potem przez krótki czas była stewardesą w Air Canada, pracę tę otrzymała ze względu na jej umiejętność porozumiewania się w języku francuskim. Nim rozpoczęła się jej przygoda z aktorstwem pracowała jako: kelnerka, barmanka, menadżerka restauracji, mechanik samochodowy i nauczycielka. Od najmłodszych lat interesowała się stosunkami międzynarodowymi, dlatego rozpoczęła naukę na Uniwersytecie Kolumbii Brytyjskiej w Vancouver na tym kierunku. Aby opłacić czesne za studia, podjęła współpracę z agencją modelek "Ford Models”. Po ukończeniu Uniwersytetu otrzymała swoją pierwszą rolę w branży filmowej. Początkowo odgrywała głównie role trzecioplanowe, jednak w 2004 roku otrzymała jedną z głównych postaci w serialu "Zagubieni". Producent serialu zobaczył taśmę z jej przesłuchaniem zaledwie dwa tygodnie przed rozpoczęciem zdjęć i wraz z reżyserem show, spośród tysięcy kandydatek, powierzył jej rolę Kate Austin. Nim rozpoczęła się praca na planie, pojawiły się komplikacje związane z wizą aktorki. Ostatecznie jednak J.J. Abramsowi i stacji ABC udało się ją uzyskać od rządu amerykańskiego. Za udział w programie została uhonorowana wieloma prestiżowymi nagrodami, jak również otrzymała nominacje do Złotego Globu, w kategorii najlepsza aktorka w serialu dramatycznym. W przerwach między zdjęciami współpracowała z firmą kosmetyczną L'Oreal Paris, jak również wystąpiła w kilku niezależnych produkcjach – "Szalony weekend" oraz "Potem". W 2008 roku zagrała w nagrodzonym sześcioma Oscarami filmie "The Hurt Locker. W pułapce wojny". Za ten występ otrzymała nagrodę Nagroda Gotham. W 2010 roku, po zakończeniu "Zagubionychh", współpracowała z Hugh Jackmanem w filmie "Giganci ze stali", a następnie została zaangażowana do dwóch ostatnich części ekranizacji książki J.R.R. Tolkiena. Aktorka wcieliła w stworzoną na potrzebę filmu postać Tauriel, za którą otrzymała nominacje do nagród: Critics' Choice, Złoty Popcorn i Saturn. Niedługo dołączyła do obsady filmu "Ant-man" i "Ant-Man i Osa", gdzie zagrała postać Hope van Dyne. Na rzecz tych projektów odrzuciła rolę w filmie "Snajper". W 2019 roku ponownie zagrała Hope w ostatniej części "Avengersów". Aktorka przez rok była żoną hokeisty Murray'a Hone'a. Wkrótce po rozwodzie zaręczyła się z kolegą z planu "Zagubieni" Dominickiem Monaghanem, jednak po pięciu latach, para się rozstała. W 2011 roku urodziła swoje pierwsze dziecko, syna Kahekili, a cztery lata później córkę, których ojcem jest Norman Kali.