Лили Иванова е родена в град Кубрат на 24 април 1939 г. Бащата на бъдещата певица, Иван Петров Дамянов, работи като чиновник в кметството, държи автосервиз, а майка ѝ, Мария Петрова Дамянова, е домакиня, но понякога работи като сервитьорка. Родена е в село Тетово, близо до Кубрат. Семейството ѝ уважава музиката; баща ѝ и брат ѝ свирят на цигулка.

В кръщелното си свидетелство Лили е записана като Лиляна Иванова Петрова, в памет на починалата си сестра. След като започва професионалната си кариера, певицата приема истинското си име и под него става известна както в България, така и по света. Тя завършва медицинското училище във Варна през 1959 г. и работи като медицинска сестра само една година. Талантът ѝ е открит за първи път в един работнически хор. Става популярна певица с песента „В събота вечер“ (1964 г.) на известния композитор Йосиф Цанков. През 1963 г. в Румъния е издаден първият ѝ албум, а през 1966 г. в Братислава Лили Иванова получава първата си международна награда „Златен ключ“ за изпълнението на песента „Адажио“ на българския композитор Ангел Заберски. След това следват многобройни победи на други международни конкурси, като певицата успява да спечели десетки международни награди по целия свят.

През 1957 г. Лили се представя пред гости – съветски моряци, има голям успех. Капитанът казал на Женя Стоилова: – „Това момиче е прекрасна певица, тя трябва да продължи да пее и по-нататък“.

Лили Иванова е една от най-търсените певици от народа на СССР. За пръв път тя се появява пред съветската публика през 1966 г., когато изнася концерт в Двореца на спорта „Лужники“ в рамките на Международния фестивал на естрадната песен „Дружба“. Той се провежда в 6 социалистически страни: СССР, Полша, ГДР, Чехословакия, Унгария и България. От този фестивал Лили става много популярна сред нашите сънародници. Издадохме нейни гъвкави плочи, плочи с миньони и плочи с гиганти.

Песните на певицата бяха толкова популярни, че дори звучаха в едно от най-известните съветски телевизионни предавания „Кабачок 13 стола“. Обикновено гласът ѝ се пееше от една от героините – Пани Моника, изиграна от несравнимата Олга Аросева.

Лили Иванова гастролира в СССР с нестихващ успех. Интересът на съветските телевизионни зрители не беше толкова от факта, че е чужденка, а от начина на изпълнение. В една от статиите от онова време съветски музиколог разсъждава върху стиловете на чуждестранната музика и стига до извода, че в края на 60-те години Европа е завладяна от пеенето на така наречените „крещящи“ от епохата на биг бейта. Говорейки за Лили Иванова, той отбелязва, че когато тя „крещи“, това не е „моден крясък“, а вик на сърцето.

Благодарение на мощния си и дълбок глас и искреността на изпълнението Лили Иванова успява да преобрази и най-„примитивната“ песен. Това я откроява сред многото музикални съвременници от социалистическите страни през 60-те и 70-те години на ХХ век.

И така, 1968 г., песен за Ленинград. Обърнете внимание, че песента е на руски език! И с какви овации я посреща публиката! Как просто по време на плейбека певецът тичаше сред хората, зареждайки ги с положителна енергия…

Първото турне на Лили Иванова в СССР продължава само месец, но дори за толкова кратко време певицата придобива популярност. А когато през 1966 г. певицата пристига за втори път в СССР, успехът на изпълненията ѝ става наистина феноменален. По съветското радио и телевизия често можеха да се видят и чуят предавания с нейно участие. Звукозаписната компания „Мелодия“ пусна в продажба големи и малки грамофонни плочи с песните на Лили Иванова, които можеха да се намерят буквално във всеки апартамент, във всяко семейство. Оттогава и до днес в Русия и други страни от бившия Съветски съюз популярността на Лили Иванова се запазва. Лили Иванова често е на турне. Само в СССР тя е свирила 7 пъти. Тя е добре позната в Москва, Ленинград, Талин, Рига, Ташкент и Кишинев. Репертоарът на певицата включва популярни песни от български, съветски и чуждестранни композитори.

Най-известната песен на Лили в Съветския съюз е Woman In Love (Влюбена жена) от репертоара на Барбра Стрейзънд, всички възможни ВИА я пеят с руския текст „С теб аз винаги ще бъда като пътуваща звезда“.

През 1969 г. е удостоена с високото звание „Заслужил артист на Българската народна република“, а в Кан на Фестивала на естрадната песен е наградена със златна плоча.

През август 1970 г. е удостоена със златна грамофонна плоча за най-добро изпълнение на III олимпиада по поп песен, проведена в Атина.

През 1977 г. Лили изпълнява песента „Хризантеми“ (М.Щерев – И.Велчев) на сцената на Международния фестивал на естрадната песен в Сопот.

От 1975 г. до 1991 г. пее в дует със своя партньор Асен Гаргов, певец и композитор. Записват заедно албуми и концерти.

За почти 50 години на сцената Лили Иванова записва повече от 600 песни в 35 албума, много от които стават златни грамофонни плочи в Европа. През 1997 г. Международната асоциация на жените я номинира за една от най-популярните жени на ХХ век, а през 1998 г. Лили Иванова получава най-високия орден на фондация „Свети Николай Чудотворец“ (Русия). На 11 май 2006 г. е удостоена със звезда на българската Алея на славата в София.

Днес Лили Иванова е една от най-търсените певици в България. Тя продължава да изнася концерти, които със сигурност събират пълни зали. Певицата винаги работи „на живо“, което показва нейния огромен професионализъм, висококласното владеене на гласа и вокалната техника, както и невероятния талант на тази красива жена. Не всички нейни колеги имат благоприятно мнение за нея. Лили е преди всичко артистка, затова трябва да изглежда добре. Ето защо тя се изявява с къси облачни рокли, поли и дънки (фигурата ѝ позволява това). Задължителен елемент от концертния ѝ тоалет са обувките с висок ток, на които тя все пак успява да танцува на сцената. Най-добрият отговор за всички врагове на Лили са пълните зали и залите на нейните представления. Хората от всички възрасти в България обожават Лили. Познават я и я слушат представители на три-четири поколения: от ученици до пенсионери.

През 2006 г. Лили Иванова изнася концерт на един невероятен фестивал – Международния фолклорен фестивал на македонската музика „Пирин-фолк“ в българския град Сандански. Този фестивал се организира от 1993 г. Лили изпълни красива песен, много прочувствена, заедно с прекрасния женски хор на ансамбъл „Пирин-фолк“.

През април 2009 г. излиза автобиографичната книга на Лили Иванова „Истината“ под редакцията на М. Карбовски, в която тя описва житейския си път от детството до триумфалното си представяне на „Олимпия“ в Париж през януари 2009 г. Публикуването на книгата предизвиква разнопосочни реакции в България, като мнозина смятат, че някои факти са неверни, а книгата е скандална.

През 2013 г. Лили Иванова записва нови песни на руски език по текстове на поета Иля Резник, а по-късно участва в юбилейния му концерт в „Кремълския дворец“ в Москва.

През февруари 2023 г. излиза видеоклипът на Лили Иванова към песента „Ti ne si za men“. Автор на музиката и текста на песента „Ti ne si za men“ е композиторът и музикант Явор Кирин.

В края на май 2023 г. в Пловдив се провежда церемонията по връчване на годишните музикални награди на БГ Радио – 2023. Лили Иванова изпълнява две от своите песни. Тя беше удостоена със специалната награда „Най-великият изпълнител на всички времена“.

Лили първо се омъжва за лекар, с когото работят заедно в болницата в Кубрат, но бракът не продължава дълго – съпругът ѝ е против певческата кариера на жена си и се оказва много ревнив. Основания за ревност е имало – връзката на Лили с музиканта Здравко Радоев почти веднага прераства в близка.

В края на 1964 г. в един белградски нощен клуб Лили вижда Иван Пеев (30 април 1937 г. – 24 ноември 2018 г.), който свири там на пиано, и се влюбва в него от пръв поглед. Скоро следва вторият брак на певицата и, както Лили ще каже по-късно, най-важният брак в живота ѝ, единствената ѝ истинска любов. Но и той бил нещастен – Иван Пеев бил много талантлив, но много пиел. Въпреки всички усилия на Лили, животът с пияница се оказва непоносим и през 1972 г. тя се развежда с Иван Пеев, като му оставя апартамент и друго имущество. „Не искам бившият ми съпруг да остане без апартамент“ – казва певицата при развода. А година по-късно следва нов брак с Янчо Таков, архитект и син на Пеко Таков, член на Политбюро на ЦК на БКП.

През 1962 г., след едно от изпълненията си на концерт, Лили се почувствала зле и била откарана в болницата в Петрич, където веднага била оперирана. Две години по-късно, при завръщането си след турне от ГДР, тя отново внезапно се разболява, като лекарите в Ловеч извършват още една операция. След тези операции Лили не може да има деца.

През 2007 г. Лили Иванова заявява, че разпространението на произведения на изкуството в интернет е незаконно и трябва да се наказва.