Desde la preparatoria, Lizzy Caplan mostró interés en actuar, por lo que fue elegida para obras de teatro en la escuela. Después de graduarse hizo su debut en pantalla en 1999 en la serie Instituto McKinley en el papel de Sara y un año después apareció en la película para televisión From Where I Sit (2000). También hizo apariciones en otras series como Smallville (2001) y The Pitts (2003). Hizo su debut en la pantalla grande con un pequeño papel en la comedia Pena ajena (2002), y consiguió un mayor alcanzó  cuando interpretó a Janis Ian en la exitosa Chicas pesadas (2004) junto a Lindsay Lohan y Rachel McAdams. Posteriormente, apareció en éxitos como Cloverfield: Monstruo (2008), Un loco viaje al pasado (2010) y Los ilusionistas 2 (2016). Desde el 2013 hasta el 2016 que terminó la serie, Caplan coprotagonizó junto a Charlie Sheen, interpretando a Virginia Johnson, la serie de televisión Masters of Sex, por la cual recibió una nominación al Emmy en el 2014. Caplan se integra a la segunda temporada de la serie Castle Rock, producida por J.J. Abrams.