Evangeline Lilly è nata a Fort Saskatchewan, in Alberta, Canada da una famiglia devotamente cristiana. Il padre è un insegnante di economia domestica e sua madre è una consulente di bellezza. Ha anche una sorella minore. Durante la sua infanzia, la famiglia non ha avuto una televisione.

Prima di lasciare la città di Fort Saskatchewan all'età di 10 anni, ha frequentato tre scuole elementari: la Fort Elementary, la Rudolph Henning e la James Mowat Elementary. Nel corso di un colloquio telefonico con il giornale locale, The Record, Evangeline è stata citata dicendo: "Quando ero una bambina, la città era piccola. A cinque anni potevo andare in bicicletta dal confine di un paese all'altro... Per me Fort Saskatchewan conserva davvero tanti momenti bellissimi. Lo considero un piccolo rifugio felice".

Evangeline Lilly ha brevemente servito come missionaria estera e ha vissuto in una capanna costruita con l'erba nelle Filippine all'età di 18 anni. Lì le è stato offerto un posto da missionaria per due anni, un'offerta che infine ha rifiutato per volere dei suoi genitori. Inoltre è stata una ex assistente di volo dell'Air Canada e parla francese abbastanza bene.

Evangeline Lilly è stata scoperta per le strade di Kelowna dalla Ford Modelling Agency (attualmente conosciuta come Ford Models). Anche se inizialmente decise di intraprendere la carriera di modella, andò avanti e firmò con la Ford in ogni caso, per riuscire a pagare l'iscrizione e le spese per l'University of British Columbia. È stata in precedenza in diversi spot televisivi provocatori della LiveLinks Chatline, un servizio annunciato come il "miglior posto per incontrare single, fare amicizie o chattare telefonicamente". La sua immagine è ancora usata per promuovere questo servizio. È inoltre apparsa in Judgment Day, una serie televisiva trasmessa da G4. È apparsa nel film del 2003 Freddy vs. Jason come una ragazza appoggiata contro un armadietto (screditato) e in un episodio di Smallville.

È apparsa nella soprannaturale serie horror della ABC Kingdom Hospital (2004). Il primo ruolo di una certa importanza è stato in Lost. Inoltre è comparsa nel film adolescenziale del 2003 Lizzie McGuire: Da liceale a popstar come un (non accreditato) ufficiale di polizia Italiano.

Il suo stipendio nel 2004 per Lost è stato di 80.000 dollari per ogni episodio. Grazie al suo ruolo in Lost, è stata votata una delle Breakout Stars del 2004 da Entertainment Weekly. Sebbene si sia piazzata ottava nella classifica di FHM delle "100 donne più sexy del mondo" del 2006 e inizialmente piazzata al secondo posto del Maxim "Hot 100" del 2005, si è posizionata al 67° posto nella classifica di Maxim del 2006.

Il 14 dicembre 2006 è stata nominata per un Golden Globe come Migliore attrice in una serie drammatica. Durante l'estate del 2006 sono state messe in commercio le action figure del suo personaggio in Lost, ovvero Kate Austen.