Nicole Evangeline Lilly nació en Fort Saskatchewan, Alberta, Canadá, el 3 de agosto de 1979. Su padre es profesor de economía y su madre es consultora de belleza. Evangeline fue descubierta en las calles de British Columbia, por un representante de la agencia Ford Models. Aunque ella no deseaba dedicarse al modelaje, acepto firmar contrato con la agencia para ayudarse a pagar sus estudios en la Universidad de British Columbia.

Estudio Relaciones Internacionales en la universidad, aunque más tarde trabajo como azafata e incluso fue parte de un grupo de misiones, que viajo a una jungla filipina.

Después de estudiar actuación en la Yaletown Actors Lab, Evangeline debuto en la televisión en la serie Judgment Day (2002) para después participar en pequeños papeles en series como Smallville y Kingdom Hospital.

En 2004, la actriz consiguió el que, hasta ahora, es su papel más conocido, como parte del elenco principal en la popular serie Lost. Lilly daba vida a Kate Austen, uno de los pasajeros del vuelo 815 de Oceanic, que sobreviven en una misteriosa isla. La serie se convirtió en un culto para millones de fanáticos, con 6 temporadas, de 2004 a 2010, lo que llevo a la actriz a ser uno de los rostros más conocidos a nivel mundial, apareciendo en múltiples revistas y programas de entrevista.

En el cine, la actriz a participado en cintas como The Hurt Locker (2008), Real Steel (2011) y en la trilogía de El Hobbit, en el papel de la elfa Tauriel, escrito con ella en mente. Recientemente se integró al universo cinematográfico de Marvel, en la cinta Ant-Man y en su secuela Ant-Man and the Wasp (2018), donde portará el traje de la Avispa.