Evangeline Lilly est née le 3 août 1979 à Fort Saskatchewan au Canada, dans une famille de catholiques pratiquants. Son père est professeur d'économie et sa mère conseillère en image. Lilly a également une petite soeur.
Elle est repérée à 18 ans dans les rues de Kelowna, en Colombie Britannique par l'agence de mannequins Ford, après avoir passé plusieurs mois en tant que missionnaire dans la jungle aux Philippines. Elle signe alors un contrat de mannequin chez Ford pour financer ses études à l'University of British Columbia, et devient également hôtesse de l'air pour Air Canada.
Après des apparitions dans les films Judgement Day, Stealing Sinatra et dans des séries comme Smallville et Tru calling, elle décroche le rôle de Kate qui la révèle au grand public dans la série à succès Lost, les disparus, en 2004. Elle se sépare alors de son mari, le joueur de hockey canadien Murray Hone avant d'entamer une liaison avec son partenaire dans Lost : Dominic Monaghan.
En 2007, elle est nominée aux Golden Globes en tant que meilleure actrice de série et entame une carrière au cinéma, notamment dans Afterwards, dont la sortie est prévue pour 2008, aux côtés de Romain Duris et John Malkovich.
En octobre 2007, la rumeur circule d'une rupture entre la jeune actrice et l'acteur Dominic Monaghan.
Voir un extrait du premier épisode de Lost:
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