Лили Рэйб появилась на свет 29 июня 1982 года в Нью-Йорке в творческой семье. Ее папа был сценаристом, а мама играла в театре. У Лили есть два младших брата – Майкл и Джейсон. Первый из них пошел по стопам отца, а второй стал музыкантом. Лили с ранних лет увлеклась балетом, преподавала его в Коннектикуте, а позднее обнаружила в себе склонность к актерскому ремеслу и поступила в университет в Чикаго.
Впервые Лили появилась на экране в образе Тесс в картине «Никогда больше». Это была небольшая роль второго плана, которая мало повлияла на дальнейшую творческую судьбу актрисы. Долгое время она исполняла только маленькие роли в эпизодах известных многосерийных проектов. Гораздо удачнее развивалась театральная карьера актрисы, однако Рэйб не оставляла надежд добиться успеха в киноиндустрии. И фортуна улыбнулась Лили в лице продюсеров легендарного сериала "Американская история ужасов". После многочисленных проб, которые не приносили желаемых результатов, девушку утвердили на центральную роль во втором сезоне, который получил название "Психбольница". Именно она принесла Рэйб первую широкую узнаваемость и зрительскую любовь.
Киноактриса не афиширует подробности своей частной жизни. Много лет она состоит в отношениях со своим коллегой Хэмишем Линклейтером и имеет от него ребенка. Но в официальном браке звездная пара не состоит.
