Lucy Liu sinh ngày 2 tháng 12 năm 1968 tại Jackson Heights, Queens, New York City, New York. Tên tiếng Hoa của cô là Liu Yuling (Hán Việt: Lưu Ngọc Linh). Ở trường trung học, cô đã lấy thêm một tên đệm là Alexis. Cô là con út trong gia đình có ba người con sinh ra ở Cecilia, người đã làm việc như là một nhà sinh vật học và Tom Liu, một kỹ sư dân dụng đã qua đào tạo đã bán bút đồng hồ kỹ thuật số. Bố mẹ của cô đến từ Bắc Kinh và Thượng Hải và di cư sang Đài Loan như người lớn trước khi gặp New York. Cô có một anh trai, Alex, và một chị gái, Jenny. Cha mẹ cô làm nhiều việc trong khi cô và anh chị em của cô lớn lên.

Cô đã nói rằng cô đã lớn lên trong một khu phố đa chủng tộc. Cô học tiếng Quan Thoại ở nhà và bắt đầu học tiếng Anh khi cô 5 tuổi. Cô đã học võ thuật kali-eskrima-silat như một sở thích khi còn nhỏ. Cô học trường trung học Joseph Pulitzer (I. S. 145), và tốt nghiệp trường Trung học Stuyvesant vào năm 1986. Sau đó cô theo học tại Đại học New York và chuyển sang Đại học Michigan ở Ann Arbor, Michigan, nơi cô là thành viên của hội trường Chi Omega. Cô lấy bằng cử nhân về ngôn ngữ và văn hoá Châu Á. Cô đã làm nhân viên phục vụ tại câu lạc bộ Các bộ phim hài Ann Arbor năm 1988-89.