Figlia d'arte, Liza Minnelli nasce dalle nozze tra Judy Garland, star di Hollywood e cantante di successo, ed il suo secondo marito, il celebre regista cinematografico Vincente Minnelli. Suo padrino fu il compositore e librettista Ira Gershwin. Dopo il divorzio dei genitori, Liza resta affidata alla madre Judy, dalla quale impara a muoversi sul palcoscenico e ad affinare la propria voce. Frequenta la gioventù dorata del mondo dello spettacolo (dall'infanzia è rimasta amica di Mia Farrow, Candice Bergen, Natalie Cole, Marvin Hamlisch e altri) ma comincia anche a dover affrontare la situazione della pesante dipendenza della madre da droghe e alcool, prendendosi cura dei due fratellastri più piccoli (Lorna e Joe Luft), e talvolta della stessa madre.
Nel 1949 appare per la prima volta sullo schermo nella scena finale del film I fidanzati sconosciuti, in braccio alla madre Judy e accanto al coprotagonista Van Johnson.
A sedici anni è a New York dove viene chiamata a prendere parte allo spettacolo Best Foot Forward (1963), che resterà con successo in cartellone per ben sei mesi. L'anno seguente si esibisce con sua madre in un concerto al London Palladium. La performance delle due artiste è accolta trionfalmente e viene registrata su disco; in quell'occasione Liza incontra Peter Allen, un cantautore australiano che la stessa Garland lancia nel mondo dello spettacolo, e che nel 1967 diventa il suo primo marito.
Nel 1965, a soli diciannove anni, vince un Tony Award per la sua interpretazione nello spettacolo Flora, the Red Menace. Nel 1967 intanto debutta nel cinema e nel '69 viene già nominata all'Oscar per la sua interpretazione nel film Pookie. Negli anni '70, nonostante continui a mietere successi in teatro, tra l'altro guadagnando un altro Tony Award per la sua interpretazione in The Act, trova la sua grande occasione nel cinema.
Dopo aver interpretato nel 1970 un eccentrico personaggio in Dimmi che mi ami, Junie Moon, nel 1972 viene infatti scelta per l'interpretazione di Sally Bowles, ballerina di cabaret nel celebre musical Cabaret di Bob Fosse, in cui lancia canzoni come Cabaret e Money, Money, Money. Per questo ruolo ottiene un premio Oscar quale miglior attrice protagonista. Sempre nel 1972 ottiene un premio Emmy per il suo special televisivo Liza with a Z, e quattro anni dopo ottiene un altro strepitoso successo sullo schermo come romantica cantante di jazz innamorata di un musicista scorbutico (interpretato da Robert De Niro) in New York, New York di Martin Scorsese, in cui lancia l'indimenticabile canzone che dà il titolo al film.
Nel frattempo registra diversi album discografici, alcuni dei quali tratti dalle musiche dei suoi film, altri dai suoi concerti dal vivo in teatro. Pubblica anche alcuni singoli di successo: oltre a Theme from New York, New York, che diventa la sua canzone-simbolo, sono da ricordare Losing my mind e Love pains, due brani dance nati dalla collaborazione con i Pet Shop Boys. Duetta con grandi artisti del calibro di Frank Sinatra e alla fine degli anni ottanta compie tournée in giro per il mondo.
La vita privata non è altrettanto soddisfacente: nel 1974 divorzia da Allen per sposare il regista Jack Haley Jr., lasciato a sua volta qualche anno dopo per lo scultore Mark Gero. Da nessuno dei suoi matrimoni riesce ad avere figli: tre tentativi di portare a termine una gravidanza si interrompono spontaneamente.
Negli anni '80 la Minnelli continua a dare apprezzate interpretazioni sullo schermo, come in Arturo (1981), e ad esibirsi in concerti affollati di fans, ma la vita sregolata e l'abuso di alcolici e farmaci minano seriamente la sua salute.
Nei periodi di disintossicazione, continua a lavorare in teatro e televisione. Nel marzo del 2002 sposa il discografico David Gest, ma il matrimonio dura poco più di un anno e termina nel maggio 2003 con una serie di pesanti accuse reciproche e controversie legali, sanate solo quattro anni più tardi con un accordo fra i rispettivi avvocati.
Dal 2003 al 2006 interpreta la serie televisiva di successo Arrested Development.
Nel 2008 intraprende un tour in Italia.