Эванджелин Лилли родилась в Форт-Саскачеване (провинция Альберта, Канада). Её отец является преподавателем экономики, а её мать — консультант по косметике. Также у Эванджелин есть две младшие сестры.
Перед тем, как покинуть город Форт-Саскачеван в возрасте десяти лет, Эванджелин успела поменять три школы. С 14 лет она была волонтёром в организациях, помогающих детям; в 18 отправилась в филиппинские джунгли в составе миссионерской группы, жила там в травяной хижине, побывала в четырнадцати странах мира. Лилли — бывшая стюардесса компании «Royal Aviation»[3], и вследствие этого очень хорошо владеет французским языком[4].
Увлекается катанием на коньках, каноэ, сноубордом и скалолазанием. Занимается благотворительностью, часть своих гонораров переводит на счета благотворительных фондов. Участвует в социальной школьной программе по защите против насильников Just Yell Fire.
Перед тем как она начала сниматься в «Остаться в живых», Лилли работала стюардессой, официанткой. Для финансирования своего образования она снималась в телерекламе и занималась модельной работой, хотя никогда не считала себя моделью.
Как модель её открыло знаменитое модельное агентство «Ford Models», менеджер которого увидел Эванджелин на улице города Келоуна в Британской Колумбии. Она подписала контракт с агентством и переехала в Ванкувер, где выступала на показах мод, зарабатывая деньги на оплату учёбы на факультете международных отношений в университете Британской Колумбии.
В 2003 году мельком появилась в маленькой эпизодической роли школьницы в фильме «Фредди против Джейсона», также промелькнула в нескольких эпизодах сериала «Тайны Смолвиля». А в 2004 году была замечена в сериале «Королевский госпиталь». Однако, первая её настоящая «говорящая» роль была в «Остаться в живых». Её открыл агент Джеф Палффи, ранее работавший в Ford Models, и сыграл важную роль в её появлении в этом сериале.
Лилли чуть было не лишилась роли Кейт Остин в самом начале из-за того, что не могла достаточно быстро получить рабочую визу в США. Директора по кастингу уже начали новый отбор претенденток на эту роль, но всё же виза была получена, и Эванджелин Лилли благополучно приехала на съёмочную площадку, опоздав на один день.
В 2004 году зарплата Лилли составляла $80 000 за эпизод. За свою роль в «Остаться в живых» она была номинирована на Breakout Stars 2004 по версии журнала Entertainment Weekly и 14 декабря 2006 года была номинирована на «Золотой глобус» как Лучшая драматическая актриса.
После окончания съёмок в «Остаться в живых» она планировала прекратить актёрскую деятельность и продолжить свою карьеру в качестве гуманитарного работника; однако, она не исключала возвращения к телевидению в какой-то момент в будущем.
В 2009 году Эванджелин Лилли стала рекламным лицом компании L’Oréal[5].
В 2014 году Эванджелин выпустила свою первую детскую книгу под названием «The Squickerwonkers». В сентябре 2015 года книга вошла в состав детских наборов для мальчиков и девочек от Nerd Block Jr., о чём Лилли поспешила поделиться со своими поклонниками в соц. сети Твиттер. В 2016 году вышла вторая книга серии «The Squickerwonkers: The Demise of Selma the Spoiled», которая в 2018 году вышла и в аудиоформате[6].
В 2015 году снялась в фильме «Человек-муравей», исполнив в нём роль Хоуп Ван Дайн, дочери Хэнка Пима. Позже, в ходе вопросов и ответов в Фейсбук, подтвердила, что костюм Осы был сделан по слепку её тела, и что она должна была принять участие в съёмках картины «Первый мститель: Противостояние»[7].
С мая 2010 года Эванджелин встречается с ассистентом режиссёра телесериала «Остаться в живых» Норманом Кали[11][12]. У пары есть двое детей — сын Кахекили Кали (род. в мае 2011)[13] и ещё один сын, имя которого Эванджелин не раскрыла (род. в октябре 2015)[14][15].