Liv Rundgren est née le 1er juillet 1977 à New York. Fille du mannequin vedette des années 70 Bebe Buell, elle est adoptée à la naissance par son beau-père, le compositeur Todd Rundgren. La petite fille reçoit une éducation atypique, et vit au rythme de ses parents musiciens, souvent sur les routes en tournée. Elle grandit dans la ville verte de Portland dans l'Oregon. A l'âge de 11 ans, elle apprend qu'elle est la fille du leader du groupe Aerosmith, Steven Tyler. En 1991, elle officialise publiquement cette filiation en prenant le patronyme de son père biologique pour se faire appeler Liv Tyler. Elle commence par suivre les traces de sa mère et débute comme mannequin à 13 ans. Son père lance ensuite sa carrière lorsqu'elle apparaît dans le clip du titre Crazy, l'un des tubes d'Aerosmith.
En 1994, Liv Tyler décroche sa première apparition au cinéma dans le thriller Silent fall de Bruce Beresford. Son visage au teint de porcelaine séduit les réalisateurs et elle tourne, à 19 ans, Beauté volée de Bernardo Bertolucci, dont elle tient le rôle principal. Le succès du film, présenté au Festival de Cannes en 1996, lui apporte une notoriété immédiate et durable. Elle enchaîne alors les tournages ; elle est à l'affiche du film de Tom Hanks, That thing you do! (1996), elle tourne dans Les années rebelles (1997) avec Joaquin Phoenix, puis donne la réplique à Ben Affleck dans Armageddon (1998). Peter Jackson lui confie le rôle d'Arwen, princesse des Elfes, dans la trilogie du Seigneur des anneaux entre 2001 et 2003, rôle qui la propulse au rang des stars mondiales. Elle retrouve Ben Affleck dans le long-métrage Jersey Girl en 2004. Actrice éclectique, elle tourne un film de super-héros sous la direction d'un réalisateur français, Louis Leterrier, en 2008 ( l'Incroyable Hulk) puis dans un thriller The Ledge de Matthew Chapman en 2011. En 2014, Liv Tyler passe au petit écran et devient héroïne d'une série télévisée The Leftovers.
Côté vie privée, l'actrice épouse le 25 mars 2003 le musicien anglais Royston Langdon. Le 14 décembre 2004, elle donne naissance à un petit garçon prénommé Milo. Mais le couple se sépare en 2008 et leur divorce est prononcé en octobre 2009. En septembre 2014, l'agent de l'actrice confirme qu'elle attend un heureux évènement avec son compagnon, le journaliste Dave Gardner. Elle donne naissance à un petit garçon, Sailor, le 11 février 2015. Le 10 juillet 2016, Liv Tyler et Dave Gardner deviennet le sparents d'une petite fille prénommée Lula Rose.