1968'de Queens'de Çin kökenli biyokimyacı Cecilia ve inşaat mühendisi Tom Liu'nun çocuğu olarak doğdu. Alex ve Jenny adlı kardeşleri vardır. 5 yaşına kadar sadece Mandarince konuşan Liu, İngilizce'yi sonra öğrendi. Ortaokul yıllarında Alexis adını yasal olarak aldı. Stuyvesant Lisesi'ni bitirdi. New York Üniversitesi, ardından Michigan Üniversitesi'nde Asya Çalışmaları bölümünü bitirdi. Metroyla yolculuk ettiği bir gün keşfedilmesiyle bir reklam filminde oynama fırsatı buldu. Daha sonra oyunculuk eğitimi alarak hayatının seyrini değiştirmeyi seçti. Çeşitli dizi ve filmlerde oynayarak kendini göstermeye başladı. Ally McBeal'ın 2. ve 5. sezonu arasındaki Ling Woo rolüyle ün kazandı.
1999 yapımı Payback filmindeki Pearl rolüyle daha çok dikkat çekti. Charlie'nin Melekleri (Charlie's Angels, 2000) filminden sonra büyük şöhret kazandı. Sonraki yıllarda rol arkadaşları Cameron Diaz ve Drew Barrymore ile sıkı dost oldu. Shanghai Knights (2003) filmi için düşünülüyordu fakat yapılması gerekilen akrobatik ve dövüş sanatları hareketlerini yapamayınca rolünü Fann Wong'a kaptırdı. Yine de Kill Bill filmindeki O-Ren Ishii karakteriyle bir başka unutulmaz karakteri canlandırdı. Kung Fu Panda serisinde usta Viper'ı seslendirdi. 2012'de başlayan modern Sherlock Holmes uyarlaması Elementary'deki Joan Watson rolüyle başrolü Jonny Lee Miller ile paylaştı.
2015 yılında taşıyıcı anne yoluyla Rockwell Lloyd Liu adında bir erkek çocuğu olmuştur.
Mandarince ve İngilizce'nin dışında İtalyanca ve İspanyolca bilmektedir.