Fille de Sylvie Brocheré, directrice de casting, la jeune Lizzie baigne très tôt dans le milieu du cinéma et apparaît, dès l'adolescence, dans divers séries (Joséphine, ange gardien) et téléfilms (Sissi, l'impératrice rebelle). En 2002, Hugo Santiago la dirige pour ses débuts sur grand écran dans le polar Le Loup de la côte Ouest. Cette même année, elle trouve un rôle plus conséquent dans la série policière Alex Santana négociateur (2002 - 2007). Un genre qui se retrouve à plusieurs reprises dans son parcours puisqu'elle joue ensuite la fille d'un éminent biologiste dans R.I.S Police Scientifique et une flic inexpérimentée au tempérament explosif dans Bleus : Premier pas dans la police.

Côté grand écran, après un passage-éclair dans Un petit jeu sans conséquence de Bernard Rapp, Sylvie Brocheré se voit attribuer par les réalisateurs Jean-Marc Barr et Pascal Arnold le rôle principal de Chacun sa nuit en 2006, celui d'une étudiante enquêtant sur la mort de son frère (elle fera à nouveau équipe avec eux en 2011 pour American Translation). Même si le succès n'est pas au rendez-vous, la comédienne engrange de l'expérience avec un personnage intense et de premier plan. Deux ans plus tard, Sa prestation de Myriam, jeune femme à la recherche de l'amour, dans le drame Le Chant des mariées de Karin Albou, émerveille la critique et le public.

En 2009, Lizzie Brocheré apparaît dans la comédie Tellement Proches, du duo Eric Toledano et Olivier Nakache, via le personnage secondaire de la baby-sitter. En 2011, après avoir à nouveau joué une jeune policière dans Nuit blanche avec Tomer Sisley, sa carrière prend un tournant important lorsqu'elle rejoint le casting de la deuxième saison d'American Horror Story, qui se déroule dans un hôpital psychiatrique. Après ce passage remarqué sur les écrans US, Olivier Marchal lui confie un rôle conséquent dans la saison trois de Braquo, celui d’Orianne Beridze, qui cherche à se venger du policier Eddy Caplan incarné par Jean-Hugues Anglade.

Toujours en 2013, Lizzie Brocheré prend part à La Marque des anges - Miserere, avec Gérard Depardieu et Joey Starr, montrant une fois de plus à quel point les thrillers policiers constituent l'un de ses genres de prédilection. Deux ans plus tard, la comédienne est affiliée au nouveau projet coup de poing du néerlandais David Verbeek, Full Contact. Second rôle dans Le Cercle - Rings (2017), une suite directe du film de Gore Verbinski sorti en 2002, puis de Vaurien (2018), un drame social fait avec peu de moyens, elle est choisie en 2019 pour rejoindre Nicolas Bedos dans La Belle époque, sélectionné à Cannes et primé aux César.

Mais c'est surtout à la télévision que Lizzie Brocheré est active. En témoignent ses prestations dans la série horrifique The Strain et Versailles, dans laquelle elle joue une jeune femme cherchant à devenir médecin à l’époque de Louis XIV. Dans la série américaine Falling Water, la comédienne incarne l'une des trois personnes sans lien apparent se rendant compte qu'elles rêvent chacune d'une partie d'un même rêve.