Лили Собески родилась в Нью-Йорке в семье французского художника Жана Собески и американской писательницы Элизабет Саломон. Ее полное имя звучит как Лилиан Рудаби Глория Эльжвета Собески. Ее дальними предками были великий коронный гетман и канцлер Речи Посполитой Станислав Жолкевский и последний король самостоятельной Речи Посполитой — знаменитый полководец Ян Собеский, победой в Венской битве остановивший турецкую экспансию в Европе. Отец Лили носит дворянский титул. Актёрский талант проявился в Лили ещё в детстве, когда она принимала участие в дестких спектаклях. Однажды ее пригласили принять участие в кинопробах — это был первый шаг к ее звездной карьере актрисы. После этого последовали роли в фильме «Встреча» 1994 года — ей было тогда 12 лет. Затем она промелькнула в сериале «Чарли Грейс». После этого она принимала участие в многочисленных малобюджетных сериалах. Первая серьёзная роль Лили была в диснеевском фильме «Из джунглей в джунгли», который вышел в 1997 году. Вскоре один из самых загадочных режиссёров современности Стэнли Кубрик предложил четырнадцатилетней Лили роль в его новом фильме «Широко закрытые глаза» с Томом Крузом и Николь Кидман в главных ролях. Девушка исполнила роль дочери Милича — владельца магазина одежды. Хотя она участвовала всего в двух сценах с Томом Крузом, критики отметили тонкую эмоциональность безмолвных сцен. По сути это был успех.

После этого последовали серьёзные главные роли, в которых Лили Собески смогла полностью раскрыть свои актёрские таланты. Зритель увидел молодую интересную актрису.

Она совмещала учёбу с актёрской работой, пока в 2001 году не бросает университет, полностью отдавшись карьере актрисы. В это время она снялась в упешных кинолентах «Макс» и «Идол».

В начале сентября 2002 года Лили Собески заявила, что на шесть месяцев прекращает сниматься в кино и приостанавливает учёбу в колледже, чтобы проверить на прочность отношения со своей первой серьёзной любовью — молодым архитектором Манхэттеном Перри, с которым она познакомилась на приеме для первокурсников университета Браун осенью 2001 года. Актриса надеялась, что ее отношения с не втянутым в сферу шоу-бизнеса человеком окажутся долгосрочными.

Однако спустя два года молодые люди все же расстались, оставив причины своего разрыва в секрете от прессы. Зимой 2004 г. Лили Собески  познакомилась с Шоном Ленноном, сыном легендарного «битла», и у них завязался бурный роман. Ради Лили Шон порвал свои многолетние отношения с актрисой Бижо Филлипс. Молодая пара сразу стала объектом пристального внимания папарацци, что возможно явилось причиной их расставания спустя всего пару месяцев.

В августе 2004 года Лили Собески подписала контракты на участие сразу в двух кинопроектах — фильме «Крушение рая», повествующем о скандальном судебном разбирательстве 1933 года над девятью чернокожими насильниками, изнасиловавшими двух белых женщин, роль одной из которых исполняет Собески, а также в мини-сериале «Геракл» совместного производства США и Новой Зеландии.

2005 год стал годом триумфального возвращения актрисы на киноэкран — Лили Собески снимается сразу в нескольких фильмах — «Dark places», «London», «The Optimist». В 2006 году ожидается появление Лили в ряде фильмов, в том числе в масштабной картине по мотивам игры «Dungeon Siege» Во имя короля: История об осаде подземелья.

В 2008 году появилась достаточно неординарная лента с её участием Ночной поезд — одна из лучших и интересных работ актрисы.