Født som Nicole Evangeline Lilly den 3. august 1979 i Fort Saskatchewan, Alberta, Canada, hadde hun en noe uvanlig vei til skuespillerkarrieren. Før hun ble oppdaget som skuespillerinne, jobbet hun som flyvertinne og servitør. Hennes interesse for skuespill førte henne etter hvert til teater og mindre roller på TV før hun fikk sitt store gjennombrudd som Kate Austen i TV-serien Lost.
Lost ble en global suksess, og rollen som Kate Austen gjorde Lilly til et kjent navn verden over. Etter seriens mildt sagt merkelige avslutning valgte hun å fokusere på filmkarrieren, og hun har siden spilt i en rekke ulike filmer i forskjellige sjangre.
Blant hennes mest kjente filmroller er alven Tauriel i Peter Jacksons Hobbiten-trilogi. Hun har også hatt roller i actionfylte filmer som Real Steel (2011) og Ant-Man (2015) og dens oppfølger Ant-Man and the Wasp (2018). Nylig var hun å se igjen som Hope van Dyne/Wasp i Ant-Man and the Wasp: Quantumania (2023).
Utover skuespillerkarrieren har Lilly vært involvert i kontroverser. Under pandemien uttrykte hun offentlig sin motstand mot vaksiner, noe som vakte reaksjoner blant både tilhengere og kritikere. Hennes standpunkt ble diskutert i media, og hun mottok både støtte og kritikk for sine uttalelser.
Hun har også engasjert seg i flere humanitære og miljøvennlige saker. Som ambassadør for GO Campaign har hun arbeidet for å forbedre livene til barn i utviklingsland. Hun har også skrevet en barnebok med en mørkere og mer skummel tone enn tradisjonelle barnebøker, kalt «The Squickerwonkers.»