Лили Рэйб появилась на свет 29 июня 1982 года в Нью-Йорке (New York City) в семье актрисы Джилл Клейберг (Jill Clayburgh) и драматурга Дэвида Рэйба (David Rabe). Она училась в школе-интернате Hotchkiss School в Коннектикуте (Connecticut) и Северо-Западном Университете (Northwestern University) в Иллинойсе (Illinois). У Лили есть старший брат Майкл (Michael Rabe). Ее мать умерла от лимфолейкоза в ноябре 2010 года.
На Бродвее (Broadway) Лили отметилась в возрожденной постановке 'Стальные магнолии' (Steel Magnolias) в 2005 году и сыграла в 'Американском плане' (An American Plan) в 2008. Осенью 2005 года она появилась в 'Холоднее, чем здесь' (Colder Than Here), дебютной пьесе британского драматурга Лоры Уэйд (Laura Wade) в постановке театра MCC. В 2006 ее игра в 'Доме, где разбиваются сердца' (Heartbreak House) Джорджа Бернарда Шоу (George Bernard Shaw) была отмечена в 'New York Times' критиком Чарльзом Ишервудом (Charles Isherwood).
В кино она начала сниматься в 2001 году, появившись в романтической мелодраме 'Больше никогда' (Never Again) вместе с матерью. За первой ролью последовали фильмы 'Улыбка Мона Лизы' (Mona Lisa Smile, 2003), где Лили сыграла одну из студенток; 'Вкус жизни' (No Reservations, 2007); 'Однажды в Голливуде' (What Just Happened, 2008); и 'The Toe Tactic', где Рэйб получила главную роль. Она также появилась в двух эпизодах 'Медиума' (Medium) в 2008 году, сыграв серийного убийцу, работающего под видом жертвы, а в 2010 году снялась в драме 'Всё самое лучшее' (All Good Things).
В июне и июле 2010 года Рэйб играла Порцию в 'Венецианском купце' на знаменитом шекспировском фестивале, при этом Шейлока сыграл Аль Пачино (Al Pacino). За эту роль Лили была номинирована на премию 'Тони' (Tony Award) в категории 'Лучшая актриса в пьесе'. Она снова сыграла Порцию, когда в ноябре 2010 спектакль открылся в театре Бродхерст (Broadhurst Theater). Затем в 2011 году на театральном фестивале в Уильямстауне (Williamstown Theatre Festival) Лили сыграла роль Норы в 'Кукольном доме' (A Doll's House) Хенрика Ибсена (Henrik Ibsen).
Роль Норы Монтгомери настолько пришлась по душе зрителям , что Рэйб стала одной из семи актеров первого сезона 'Американской истории ужасов', вернувшихся во втором сезоне с совершенно иными персонажами.
Рэйб играла в театре Уильяма Голдена (John Golden Theatre) в новой бродвейской пьесе 'Семинар' (Seminar) Терезы Ребек (Theresa Rebeck), режиссером постановки стал Сэм Голд (Sam Gold). Главную роль в спектакле сыграл Алан Рикман (Alan Rickman). Шоу открылось 20 ноября 2011 года и закрылось 6 мая 2012 года. Еще одной шекспировской ролью Лили Рэйб стала Розалинда из 'Как вам это понравится' (As You Like It) во время 50-го юбилейного сезона фестиваля 'Shakespeare in the Park'.
В скором времени должны начаться съемки биографической драмы 'The First' о судьбе Мэри Пикфорд (Mary Pickford), легенде немого кинематографа. Роль Мэри сыграет Лили Рэйб. Кроме того, она появится в двух частях фильма 'Голодные игры: Сойка-пересмешница' (The Hunger Games: Mockingjay), в роли командора Лайм.