Liliana Cavani è nata a Carpi (MO) nel 1933.
Prima figlia di genitori operai è subito attirata dal cinema e nel 1959 approda in televisione con un cortometraggio. Conosce Luchino Visconti e nel 1960 lavora alla sceneggiatura di Rocco e i suoi fratelli; negli anni successivi collaborerà ad alcune rappresentazioni teatrali del regista che hanno come protagonista assoluta Maria Callas.
Dopo aver sceneggiato Il gattopardo (1964) dirige i suoi primi film: Processo a Vichy (1965) e Francesco d'Assisi (1966), dove il santo viene interpretato da Marco Bellocchio. Dopo lavori come Galileo (1968) e I cannibali (1969), che riscuotono un buon successo, torna a lavorare con Visconti in Morte a Venezia (1971) e dirige L'ospite (1971).
Milarepa (1972) fa conoscere il suo nome a livello internazionale. Dopo aver sceneggiato Ludwig (1973) e codiretto Gruppo di famiglia in un interno (1974), entrambi di Visconti, dirige Portiere di notte (1974) con Dirk Bogarde, Charlotte Rampling, Gabriele Ferzetti e Philippe Leroy, film che è considerato il suo capolavoro.
Dirige Al di là del bene e del male (1977), La pelle (1981), Oltre la porta (1982).
Le torbide pulsioni sessuali di Interno berlinese (1985) non sono apprezzate dalla critica e nemmeno Francesco (1988) con Mickey Rourke. Con Il gioco di mister Ripley (2001) ottiene ancora un buon successo.

Nel 1965, ventesimo anniversario della Liberazione, realizza il documentario La donna nella Resistenza: qui.