1977'te New York'ta Liv Rundgren adıyla doğdu. Annesi model ve müzisyen Bebe Buell, biyolojik babası da Aerosmith'in solisti Steven Tyler'dır. Annesinin Tyler ile kısa süreli ilişkisinin sonucunda doğan sanatçı, annesinin esasen uzun süredir birlikte olduğu müzisyen Todd Rundgren'in soyadını almış, gerçek babasını gençlik yıllarına gelirken öğrenmiştir. Liv adını, ünlü Norveçli aktris Liv Ullmann'dan almıştır.

Çocukluğunu Portland, Maine'de Todd Rundgren'in de bulunduğu ailesiyle geçirdi. 12 yaşında gerçek babasının soy ismini aldı. 14 yaşında annesiyle birlikte New York'a taşındı ve o yıl aile dostu, 80'lerin ünlü top modeli Paulina Porizkova tarafından keşfedilerek modellik yapmaya başladı. Seventeen ve Interview gibi ünlü dergilerin kapağında yer aldı. Dünyanın Liv'i tanıması Aerosmith'in 1993 yılında Crazy şarkısının klibinde oynamasıyla oldu. 1994'te Silent Fall filmiyle sinemaya adım attı. 1995'te gençlik filmi Empire Records, ilerleyen yıllarda kendisi gibi ünlü bir oyuncu olacak Renee Zellweger ile birlikte yer aldı. Aynı yıl James Mangold'un Heavy filminde oynadı. Kariyerinin sonraki kısmını oyuncu olarak geçirmeye karar verince modelliği ikinci plana attı.

Sinema dünyasında ilk ciddi çıkışını Bernardo Bertolucci'nin Çalınmış Güzellik (1996) filmiyle yaptı. Bu filmden sonra artık film yıldızı olarak anılmaya başladı ve kısa sürede Tom Hanks (That Thing You Do-1996) ve Bruce Willis (Armaggedon-1998) gibi starların olduğu filmlerde ciddi roller aldı. J.R.R. Tolkien'in romanından uyarlanan Peter Jackson'ın efsanevi Yüzüklerin Efendisi üçlemesinde Elf Prensesi Arwen rolüyle akıllarda yer etti. 2008'de iki önemli filmde rol aldı, korku filmi Ziyaretçiler'deki Kristen performansıyla beğeni topladı ve ödüller kazandı. Ayrıca The Incredible Hulk filminde başrolü Edward Norton ile paylaşarak Betty Ross'u canlandırdı. 2014'te The Leftovers dizisinde rol almaya başladı.

2001'de nişanlandığı müzisyen Royston Langdon'la 25 Mayıs 2003'te Karayipler'de evlendi. Mart 2005'te hamile olduğu açıklandı ve 14 Aralık 2005'te çiftin ilk çoçuğu Milo William Langdon doğdu. 2008'de ayrıldılar. 2014'ten itibaren birlikte olmaya başladığı menajer David Gardner ile ilişkisinden 2015'te Sailor Gene Gardner adlı bir erkek, 2016'da Lula Rose Gardner adında bir kız çocuğu daha oldu.