Den canadiske skuespillerinde arbejdede som bl.a. tjener og stewardesse, før at hun besluttede sig at gå til audition på tv-serien 'Lost'. Lilly vandt rollen som Kate Austen og de næste seks år modtog både Lilly og serien adskillige priser. Hun medvirkede i 2008 i den Oscar-vindende film The Hurt Locker. Lilly spillede rollen som Tauriel i Peter Jacksons 'Hobitten' Trilogi bestående af En uventet rejse,Dragen Smaugs ødemark og Femhæreslaget.

Evangeline Lilly har siden siden 2015 spillet superhelten Hope Van Dyke/Wasp i filmene Ant-Man, Ant-Man and the Wasp og Avengers 4:Endgame.