Diplômée de lettres classiques et de linguistique à l'université de Bologne, Liliana Cavani étudie également au Centro sperimentale de Rome. Elle travaille d'abord pour la télévision italienne, notamment à la RAI de 1962 à 1965 ; elle réalise plusieurs documentaires portant sur le IIIe Reich, Staline ou le procès de Pétain (Primo piano : Philippe Pétain processo a Vichy (1965)).

En 1966, elle met en scène son premier long métrage de fiction, François d'Assise, une évocation de la vie de Saint-François d'Assise. Elle abordera à nouveau ce thème en 1989 avec Francesco, un drame interprété par Mickey Rourke. Liliana Cavani signe en 1970 l'écriture et la réalisation de Les Cannibales, un film qui traite du totalitarisme et de la transgression des interdits. Ces sujets sont également présents dans Portier de nuit (1974), un drame sulfureux sur les rapports sado-masochistes entre un tortionnaire nazi (Dirk Bogarde) et sa victime (Charlotte Rampling). Ce film suscite de vives polémiques comme Au-delà du bien et du mal (1977), qui s'inspire de la vie de Nietzsche. Certains diront que la cinéaste a trahi l'oeuvre du célèbre philosophe.

Liliana Cavani enchaîne avec le tournage de La Peau en 1980. Cette adaptation du roman de Curzio Malaparte, qui a pour cadre la ville de Naples libérée du joug fasciste, est présentée au Festival de Cannes en 1981. Pour les besoins de Derrière la porte, elle collabore à nouveau avec Marcello Mastroianni, qu'elle avait dirigé dans La Peau. Liliana Cavani met ensuite en scène Berlin affair (1985), une histoire d'amour impossible entre deux femmes dans le Berlin de 1938.

La réalisatrice et scénariste attend cinq ans avant de tourner Sans pouvoir le dire (1993), un drame sentimental où Chiara Caselli et Gaetano Carotenuto interprètent deux sourds-muets amoureux. En 2001, elle dirige John Malkovich et Dougray Scott dans Ripley's game, un nouvel opus des aventures de Tom Ripley qui sera présenté hors compétition à la Mostra de Venise 2002.