Лили Собески родилась в Нью-Йорке 10 июня 1983 года в семье американской писательницы Элизабет Саломон и французского актера и художника Жана Собески. Отец Лили принадлежит к польскому дворянскому роду, а ее предок был королем Польши. В детстве будущая актриса много времени проводила у родителей отца во Франции. Лили Собески участвовала в любительских спектаклях, но до определенного момента и не думала связывать свою жизнь с игрой на сцене или перед камерой.
Однажды в школьном кафетерии ее заметил агент по подбору актеров и пригласил поучаствовать в пробах. Речь шла о картине «Интервью с вампиром», куда нужна была красивая белокурая девушка на роль Клаудии. Хотя после проб роль досталась Кирстен Данст, Лили Собески твердо решила стать актрисой. Сначала ей доставались только роли в сериалах, впрочем, довольно успешных. Лили Собески играла Люси в сериале «Грейс в огне», рассказывающем о домохозяйке, которой надоела ее скучная и размеренная жизнь. В 1994 году, когда Лили было всего 12 лет, она сыграла в фильме «Воссоединение».
После нескольких работ в сериалах с небольшим бюджетом, Лили Собески досталась ее первая роль в большом проекте. Произошло это в 1997 году, когда студия Disney снимала комедию «Из джунглей в джунгли». По сюжету герой знаменитого американского комика Тима Аллена отправился в дебри Амазонки, где встретил своего сына, о существовании которого он и не подозревал. Смешной фильм о приключениях туземца в мегаполисе понравился зрителям, а Лили Собески получила свой пропуск в большое кино. В 1998 году она сыграла в драме о надвигающемся апокалипсисе – в фильме «Столкновение с бездной», где была задействована еще одна будущая звезда – юный Элайджа Вуд.
В 1999 году семнадцатилетней Лили Собески поступило предложение сняться в картине «С широко закрытыми глазами» самого Стенли Кубрика. Так актриса оказалась в кадре с Томом Крузом, пусть и всего в паре сцен. Ей досталась безымянная роль дочери Митча – владельца магазина проката костюмов. Однако и этих эпизодов было достаточно критикам, чтобы оценить игру актрисы.
В том же году Лили Собески исполнила свою первую главную роль в телесериале «Жанна д’Арк». Впервые этого исторического персонажа сыграла актриса-ровесница, ведь Лили на момент съемок было 17 лет (Жанна д’Арк сбежала на войну именно в этом возрасте).
Лили Собески снималась со многими прекрасными актерами, с некоторыми из них ее связывает искренняя дружба. Например, в 1999 году на съемках лирической комедии «Нецелованная» она познакомилась с Дрю Берримор, которую называет своим идеалом женщины.
В 2000-х карьера Собески продолжала набирать обороты. В 2006 году она исполнила главную роль в ужастике «Проклятое место» – экранизации новеллы Генри Джеймса. Героиня Лили Собески – Анна Вей – няня, которая слышит в доме чужие голоса и видит призраков. Другая заметная роль досталась Лили Собески в костюмном фильме «Во имя короля: История осады подземелья», где она работала в паре с Джейсоном Стэйтемом.
