Родилась в семье эмигрантов из Китая. Окончила Мичиганский университет, где получила филологическую степень по восточным языкам и культуре. Параллельно Люси Лю увлекалась вокалом, сценическим мастерством, игрой на аккордеоне и восточными единоборствами. В 1990 году уехала в Лос-Анджелес, чтобы стать актрисой. Ее первым успехом была небольшая роль официантки в одной из серий «Беверли-Хиллз, 90210». В 1996 году начинающая актриса получила роль Эми Ли в сериале «Жемчужина», а на следующий год дебютировала в большом кино, сыграв эпизодическую роль в «Джерри Магуайре» (1996). Известность ей принесла роль Лин Ву в телесериале «Элли Макбил» (1998). В 2000 году на экраны выходят комедийный боевик «Шанхайский полдень», где ее партнером стал Джеки Чан, и «Ангелы Чарли». В 2003 году актриса снялась в продолжении «Ангелов Чарли» и первом фильме «Убить Билла». Кроме того, Люси известна как талантливый художник. В начале 80-х годов ее работы выставлялись в галерее «Каст-Айрон» в элитном квартале Нью-Йорка Сохо.