Nata a Carpi (MO) nel gennaio 1933 - il padre un architetto mantovano, la madre casalinga che, portandola al cinema fin da bambina ne stimolò la passione -, Liliana Cavani studia al Liceo “Muratori” di Modena, si laurea in Lettere antiche all’Università di Bologna e si diploma presso il Centro Sperimentale di Cinematografia di Roma con il cortometraggio La battaglia, con cui si aggiudica il Ciak d’Oro, Premio per il miglior saggio di fine corso.

Inizia a lavorare per la Rai realizzando documentari e film-inchieste - Assalto al consumatore (1962), Storia del Terzo Reich (1963-64), Età di Stalin (1964), La donna nella Resistenza (1965), Philippe Pétain. Processo a Vichy (1965), che vince il Leone d’Oro per la sezione “Documentari” alla Mostra del Cinema di Venezia.

Nel ’68 gira il primo film prodotto dalla Rai, Francesco d’Assisi, che provoca reazioni per il modo molto originale di rappresentare il santo ed anche per la scelta di Lou Castel ad interpretarlo, che suscitò diversi malumori uscendo il giovane attore da un ruolo molto duro in I pugni in tasca (1965) di Marco Bellocchio.

Seguiranno Galileo (1968), che mette in evidenza il conflitto fra religione e scienza e la figura inquieta e visionaria di Giordano Bruno; I cannibali (1970), ispirato all’Antigone di Sofocle, opera allegorica sul potere e la rivoluzione in una trasposizione nei tempi moderni, interpretato da Pierre Clementi, Britt Ekland e Tomas Milian. Torna a lavorare per la Rai con il film sul disagio mentale L’ospite (1971), con Lucia Bosè e Glauco Mauri e Milarepa (1974), ispirato al libro Tibet's Great Yogi Milarepa.

Il portiere di notte (1974) è il primo film ad aver successo sia di pubblico sia di critica, anche a livello internazionale, seppur con giudizi contrastanti, ed in cui ricorre il tema dominante del cinema di Liliana Cavani, il potere che porta all’ambiguità che fa parte della natura umana, il mistero del rapporto vittima-carnefice. Interpreti del film Charlotte Rampling (la quale è intervenuta assieme a lei a questa 80a Mostra del Cinema  di Venezia), Dirk Bogarde e Philippe Leroy.

Nel ’77 gira Al di là del bene e del male, tratto dall’opera omonima di Friedrich Nietzsche ed ispirata alla vita del filosofo tedesco, con Dominique Sanda, Virna Lisi e Erland Josephson (grande interprete di numerosi film di Ingmar Bergman fra gli anni Quaranta e gli Ottanta).

Nel decennio seguente gira La pelle (1981), tratto dal libro omonimo (1949) di Curzio Malaparte ed interpretato da Marcello Mastroianni, Burt Lancaster e Claudia Cardinale (Nastro d’Argento come Miglior Attrice non Protagonista), Oltre la porta (1982), con M. Mastroianni ed Eleonora Giorgi, Interno berlinese (1985), che conclude la sua “Trilogia tedesca” di opere sul Novecento tedesco presente nella cultura europea. Con Francesco (1989), presentato al Festival di Cannes, riprende ed approfondisce la storia narrata nel Francesco d’Assisi televisivo del ’69, interpreti Mickey Rourke, Helena Bonham Carter e Andrea Férreol.

Negli anni Novanta, oltre al film Dove siete? Io sono qui (1993), la storia di due giovani sordomuti, si dedica alla regia di opere liriche - La Traviata (1992), Cavalleria rusticana (1996), Manon Lescaut (1999), Un ballo in maschera (2001) - per molti importanti teatri europei (Parigi, San Pietroburgo, Milano, Firenze, Genova, Bologna, Ravenna).

Nel 2002 torna al successo cinematografico internazionale con Il gioco di Ripley, tratto dal romanzo omonimo di Patricia Highsmith, con John Malkovich; due anni dopo gira la fiction televisiva De Gasperi, l’uomo della speranza (2004) con Fabrizio Gifuni e Sonia Bergamasco.

Seguono la fiction Einstein (2008) ed il cortometraggio Clarisse (2012), intervista realizzata in una comunità di suore di clausura, presentato fuori concorso alla 69ª Mostra del Cinema di Venezia, e che vince il Premio Speciale Pasinetti. Nello stesso anno le viene assegnato il David di Donatello alla Carriera.

Nel 2017 firma la sua prima regia teatrale con Filumena Marturano di Eduardo De Filippo, interpreti Jeppy Gleijeses e Mariangela D’Abbraccio, e, nel 2018, continua la sua attività teatrale di Il piacere dell’onestà di Luigi Pirandello, con J. Gleijeses e Vanessa Gravina, e dell’Opera Alì Babà e i quaranta ladroni di Luigi Cherubini, in scena al Teatro Alla Scala di Milano nel settembre 2018.

Nello stesso anno, nel corso della 75ª Mostra del Cinema di Venezia, riceve il Premio Robert Bresson, riconoscimento conferito dalla Fondazione Ente dello Spettacolo e dalla «Rivista del Cinematografo».  Nel 2019, alla Berlinale 2019, consegna il Premio alla Carriera a Charlotte Rampling, protagonista del suo, già citato, Il portiere di notte.

Attiva anche in televisione, dirige le miniserie Mai per amore - Troppo amore (2012) e Francesco (2014), terza opera sulla vita di San Francesco.

Il suo ultimo film L’ordine del tempo (2023), tratto dall’omonimo saggio di Carlo Rovelli, è stato presentato fuori concorso alla Mostra del Cinema di Venezia e, in contemporanea, è uscito nelle sale cinematografiche italiane.