ลูซี่ หลิว เป็นชาวนิวยอร์กแต่กำเนิด ได้เข้าศึกษาที่เอ็นวายยูและภายหลัง เธอก็ได้รับปริญญาตรีสาขาภษาและวัฒนธรรมเอเชียจากมหาวิทยาลัยมิชิแกน ระหว่างที่เธอเรียนปีสุดท้ายที่มิชิแกน เธอได้ออดิชันสำหรับละครเวทีนักศึกษาของอังเดร เกรกอรีเรื่อง Alice in Wonderland ทั้ง ๆ ที่เธอตั้งความหวังว่าจะได้รับเลือกในบทสมทบ เธอกลับได้รับเลือกให้รับบทนำ และเส้นทางการแสดงก็เปิดกว้างสำหรับเธอนับแต่นั้นมา
เธอโด่งดังถึงขีดสุดเมื่อเธอได้ร่วมแสดงกับคาเมรอน ดิแอซและดรูว์ แบร์รีมอร์ในภาพยนตร์บล็อกบัสเตอร์ของโคลัมเบีย ไทรสตาร์เรื่อง Charlie's Angels และซีเควล Charlie's Angels: Full Throttle อาชีพนักแสดงของเธอมั่นคงยิ่งขึ้นเมื่อเธอได้แสดงประกบอูมา เธอร์แมนในภาพยนตร์มิราแมกซ์ที่กำกับโดยเควนติน ทารันติโนเรื่อง Kill Bill: Volume I ผลงานภาพยนตร์เรื่องอื่น ๆ ของเธอได้แก่ Code Name: The Cleaner ที่เธอแสดงประกบเซดริก เดอะ เอนเตอร์เทนเนอร์, Rise ประกบไมเคิล ชิคลิส, Watching the Detectives ประกบคิลเลียน เมอร์ฟีย์, Domino ประกบเคียรา ไนท์ลีย์และ Lucky Number Slevin ประกบจอช ฮาร์ทเน็ทและบรูซ วิลลิส สำหรับผลงานภาพยนตร์ฟอร์มเล็ก หลิวได้แสดงใน 3 Needles มุมมองสามทางที่มีต่อวิกฤติการณ์โรคเอดส์ทั่วโลก นอกเหนือจากนั้น ผลงานภาพยนตร์ของเธอยังได้แก่ Shanghai Noon ที่เธอแสดงประกบเฉินหลง, Payback ที่เธอแสดงประกบเมล กิ๊บสัน, Play It to the Bone ที่เธอแสดงประกบวู้ดดี ฮาร์เรลสันและ Ballistic: Eck vs. Sever ที่เธอแสดงประกบแอนโตนิโอ แบนเดอรัส รวมถึงบทคาเมโอในภาพยนตร์ที่ได้รับรางวัลออสการ์อย่าง Chicago หลังจากนี้ เธอจะมีผลงานในภาพยนตร์เรื่อง The Year of Getting to Know Us ที่เธอแสดงประกบชารอน สโตนและจิมมี ฟัลลอน และจะเปิดตัวในงานเทศกาลภาพยนตร์ซันแดนซ์ปี 2008
ด้านจอแก้ว หลิวได้รับบทที่ลืมไม่ลงอย่างหลิง วูในซีรีส์ฮิตทางฟ็อกซ์เรื่อง Ally McBeal ซึ่งทำให้เธอได้รับการเสนอชื่อชิงรางวัลเอ็มมี อวอร์ดสาขานักแสดงสมทบหญิงยอดเยี่ยมในซีรีส์คอมมิดี้ รวมไปถึงได้รับการเสนอชื่อชิงรางวัลสมาพันธ์นักแสดงสาขานักแสดงนำหญิงยอดเยี่ยมในซีรีส์คอมมิดี้ เธอได้รับบทดารารับเชิญในซีรีส์เอชบีโอเรื่อง Sex and the City และ Joey และเธอยังได้พากย์เสียงซีรีส์แอนนิเมชั่นอย่าง The Simpsons, Futurama และ King of the Hill อีกด้วย เธอได้รับบทเกรซ ชิน ในซีรีส์รางวัลเรื่อง Ugly Betty และรับบทเป็นไมอา เมสันในดรามาทางเอบีซีเรื่อง Cashmere Mafia ที่สร้างโดยดาร์เรน สตาร์
หลิวเพิ่งมีผลงานการอำนวยการสร้างเรื่องแรกด้วย Freedom's Fury สารคดีเกี่ยวกับการแข่งขันโปโลน้ำรอบเซมิไฟนัลปี 1956 ระหว่างฮังการีกับรัสเซีย การแข่งขันครั้งนี้ที่จัดขึ้นที่ออสเตรเลีย เกิดขึ้นระหว่างที่กองกำลังรัสเซียกำลังบุกย่ำกรุงบูดาเปสต์ และก่อให้เกิดการต่อต้านขึ้น เธอยังได้เซ็นสัญญาที่จะอำนวยการสร้างบริหารและนำแสดงในเวอร์ชันจอเงินของ Charlie Chan ให้กับทเวนตี เซ็นจูรี ฟ็อกซ์อีกด้วย
ในปี 2005 หลิวได้รับการแต่งตั้งให้เป็นทูตยูนิเซฟ ผลงานที่เธอทุ่มเทให้กับยูนิเซฟนำเธอไปสู่พรมแดนด้านตะวันตกเฉียงเหนือของปากีสถานเพื่อไปเยี่ยมบรรดาผู้ที่รอดชีวิตจากเหตุแผ่นดินไหวเมื่อวันที่ 8 ตุลาคม ปี 2005 หลิวได้เดินทางไปเลโซโธในเดือนสิงหาคม ปี 2005 เพื่อเป็นประจักษ์พยานถึงผลกระทบที่โรคเอดส์มีต่อเด็กๆ และชุมชน เธอกลับมาจากการเยือนสาธารณรัฐประชาธิปไตยคองโกที่เธอไปเพื่อสัมผัสถึงความทุกข์ของเด็กเล็ก ๆ ในประเทศที่มีความแตกแยกทางการเมือง
