Кавани окончила филологическое отделение Болонского университета, где изучала античную литературу. Училась в Римском Экспериментальном киноцентре, окончив в 1961 году отделение документалистики. 

С начала 60-х годов работала над серией историко-документальных телефильмов, таких как «Эпоха Сталина» и «Филипп Петен: процесс в Виши». 

 

В 1966 году сняла полнометражный художественный фильм «Франциск Ассизский», который вышел на экраны только в 1972 году, а затем исторический фильм «Галилео». 

Фильм «Ночной портье» (1974) принес режиссеру мировую славу. История любви гитлеровского офицера и его жертвы из концлагеря и до сих пор является ее самой известной работой. В каждом фильме режиссера наибольшее внимание уделяется психологии героев, которые не воплощают социальные и художественные типы. 

Предельный натурализм картин в сочетании с их психологической достоверностью породил новый тип фильмов о фашизме. Наиболее полное выражение режиссерской поэтики Кавани можно увидеть в фильме «Шкура» (1980), снятому по автобиографическому роману Курцио Малапарте о приходе американских войск в Италию в конце 2-ой Мировой войны. 

В 1989 году Кавани вновь обратилась к личности Франциска Ассизского, сняв фильм «Франциск». 

Помимо художественных и документальных фильмов Лилиана Кавани осуществляет театральные постановки классических опер и выступает режиссёром их кинематографических версий.