Elle est la fille du chanteur Steven Tyler (leader du groupe de rock Aerosmith) et de Bebe Buell, une mannequin des années 1970. Elle a été élevée à Woodstock, près de New York, par la rock star Todd Rundgren, compagnon de sa mère.
Elle n'a découvert la vérité sur ses origines qu'à l'âge de 11 ans en remarquant que Mia Tyler, la fille de Steven Tyler lui ressemblait comme deux gouttes d'eau. Elle a ainsi changé son nom de Liv Rundgren en Liv Tyler. Aujourd'hui, selon ses propres dires, elle considère Todd Rundgren et Steven Tyler à égalité comme ses deux pères.
Elle débute sa carrière en tant que mannequin grâce à une amie de la famille, Paulina Porizkova. Sa carrière de mannequinat lui vaut de faire les couvertures de grands magazines.
Ensuite, elle apparaît, aux côtés d'Alicia Silverstone, dans le clip de Crazy, l'un des tubes d'Aerosmith. En 1994, sa carrière cinématographique débute avec Silent Fall de Bruce Beresford puis avec Heavy de James Mangold. Elle décide d'arrêter le mannequinat et de devenir actrice depuis qu'elle a pris goût à jouer la comédie, elle qui n'a jamais pris de cours de comédie.
En 1995, après avoir tourné Empire Records d'Allan Moyle, sa carrière s'envole à seulement dix-huit ans après avoir obtenu le premier rôle dans Beauté volée de Bernardo Bertolucci. La jeune actrice fut acclamée pour sa performance et devient l'une des vedettes du Festival de Cannes 1996 où des photos géantes d'elle sont placardées sur des panneaux d'affichages sur toute la ville.
Depuis, avec son statut récent de star, elle a joué comme le film rétro Les Années rebelles de Pat O'Connor, où elle tourne aux côtés de Jennifer Connelly et de Joaquin Phoenix, Armageddon, de Michael Bay, où elle incarne la fille de Bruce Willis et la petite amie de Ben Affleck (à noter que Aerosmith a participé à la Bande originale - pure coïncidence?), Cookie's Fortune de Robert Altman, qu'elle retrouvera deux ans plus tard dans
Docteur T et les femmes, puis aussi dans Divine mais dangereuse, d'Harald Zwart.
Mais le rôle qui l'impose définitivement est celui d'Arwen, princesse des Elfes, dans la trilogie du Seigneur des Anneaux dont les trois films sont sortis respectivement de 2001 à 2003.
Depuis, on l'a vue dans Père et Fille de Kevin Smith, où elle retrouve Ben Affleck, Lonesome Jim de Steve Buscemi, Smother, où elle partage l'affiche avec Diane Keaton et Reign Over Me, avec Adam Sandler.
Aprés deux ans d'absence,Live revient sur les écrans dans le film The Strangers, un thriller horrifique, dont son interprétation lui vaudrat un Scream Award dans la catégorie Meilleur Actrice et une nomination aux Teen Choice Awards.
Elle est à l'affiche de L'Incroyable Hulk, réalisé par le Français Louis Leterrier (sortie en France fin juillet 2008);
En 2010, elle pose dans la nouvelle collection printemps/été de G-Star.
De 1995 à 1998, elle a été la petite amie de l'acteur Joaquin Phoenix, avec lequel elle a tourné Les Années rebelles en 1997. Le 25 mars 2003, elle se marie avec le musicien Royston Langdon du groupe Spacehog, et le 14 décembre 2004, elle donne naissance à New York à un garçon, Milo William Langdon. En mai 2008, elle annonce au magazine People sa séparation d'avec Royston Langdon.
Depuis 2003, elle est l'égérie de la célèbre maison française de parfums d'Hubert de Givenchy.