Ha ottenuto grande successo di critica e di pubblico al cinema, in televisione e a teatro. Il suo ultimo film, The Man With The Iron Fists, diretto da RZA, con Russell Crowe uscirà nel 2012.
Recentemente è tornata a dare la voce al personaggio di Viper nel film di animazione Kung Fu Panda 2.
Attualmente ha in uscita, oltre a Un Giorno Questo Dolore Ti Sarà Utile: Detachment diretto da Tony Kaye con Adrien Brody, James Caan e Marcia Gay Harden, e East Fifth Bliss, una commedia con Michael C. Hall e Peter Fonda.
Liu ha debuttato a Brodway nel marzo 2010 nell'opera teatrale vincitrice del Tony Award God Of Carnage, interpretando Annette, in un cast che comprende Jeff Daniels, Dylan Baker e Janet McTeer.
Nel gennaio 2010 ha esordito alla regia con l'adattamento cinematografico del best seller Half The Sky di Nicholas D. Kristof e Sheryl WuDunn. Nel 2006 è stato realizzato il suo primo film da produttore, Freedom's Fury, applaudito dalla critica e presentato in anteprima al Tribeca Film Festival.
Tra i suoi film: Charlie's Angels, Charlie's Angels: Più Che Mai, Kill Bill, Chicago, Nome in Codice: Cleaner, La setta delle Tenebre, Watching The Detectives, Domino, Slevin: Patto Criminale, 3 Needles, Pallottole cinesi, Payback, La Rivincita di Porter, Incontriamoci a Las Vegas, Ballistic e Contrasti e Amori. Per la televisione Lucy ha ottenuto la nomination ai NAACP Award nel 2010 come miglior attrice per il suo ruolo da protagonista nella commedia romantica Marry Me del Network Lifetime. Ha inoltre interpretato l'indimenticabile Ling Woo nella serie di successo della Fox Ally McBeal, un ruolo per il quale ha vinto un Emmy, e ha ottenuto una nomination agli Screen Actors Guild Award come miglior attrice non protagonista in una serie comedy.
Ha ricoperto ruoli da protagonista nelle serie di successo Cashmere Mafia e Dirty Sexy Money e come guest star in Sex & The City, Joey e Ugly Betty, e ha prestato la sua voce a serie animate di successo, come I Simpson, Futuram e King of the Hill.
Appassionata sostenitrice dei diritti umani, Lucy ha prodotto e narrato l'intenso documentario Redlight che racconta la difficile situazione delle donne e dei bambini ridotti in schiavitù sessuale. Il film ha debuttato al Woodstock Film Festival nel 2009 ed è andato in onda su Showtime nel 2010.
Liu è ambasciatrice UNICEF dal 2004 e in tale veste ha compiuto viaggi in Lesotho, Pakistan, Costa d'Avorio, Repubblica Democratica del Congo, Egitto e Perù.
Nata a New York, si è diplomata alla Stuyvesant High School, ha frequentato l'Università di New York e ha ricevuto un Bachelor of Science Degree dall'Università del Michigan.