A kanadai Albertában született, egy hűkeresztény családban. Apja közgazdaságtant tanít, anyja orvosi szaktanácsadó. Lillynek van egy húga is, akit a család a leendő szinészpalántájának tartott. A család szerény körülmények között élt, televíziókészülékük sem volt.

Lilly egy külföldi misszionáriuscsoport alkalmazásában állt, s ez időben a Fülöp-szigeteken élt. A kolumbiai egyetemen nemzetközi kapcsolatokat tanult. Később stewardessként dolgozott egy helyi járaton.

Miután megkapta Kate szerepét a Lost-ban, legfőbb problémája az volt, hogy vízumot kellett szerezni az USA-ban való dolgozásra és élésre. A sorozat készítői alig tudták meggyőzni a kapitányságot, hogy az idáig szinte ismeretlen Lilly létfontosságú szereplője a sorozatnak. 2004-ben 80 000 dollárt keresett csak a Lost-tal. Szintén a Lost-nak köszönheti, hogy ugyanebben az évben az Entertainment Weekly a Legjobb új színésznő-k közé sorolta. 2005-ben második, 2006-ban pedig 67. lett a Maxim Hot100-as listáján. Nyolcadik lett az FHM A világ 100 legjobb nője listáján (2006).