Лиля родилась в интеллигентной еврейской семье Юрия Александровича Кагана и Елены Юльевны Каган (в девичестве Берман). Глава семьи работал юристом, а в свободное время читал книги и участвовал в литературно-художественных кружках. Мать, выпускница Московской консерватории, воспитывала детей и поддерживала в доме культ музыки и поэзии.
Лиля и ее младшая сестра Эльза с детства свободно говорили по-немецки и по-французски, играли на фортепиано и получили образование в частной гимназии. Окончив гимназию в 1908 году, Лиля решила стать математиком и целый год проучилась на высших женских курсах. За ним последовали институты архитектуры и живописи, а также Мюнхенский университет.
Осип Брик, сын владельца торговой фирмы «Вдова и сын» Павла Брика, знал девушку с подросткового возраста и семь лет нежно ухаживал за Лилей, но встречи их были редки. Когда Лиля готовилась к вступительным экзаменам, в ее жизни появился учитель музыки Григорий Крейн. Они вместе играли на скрипке, разговаривали о музыке — Лили впечатлила свобода, с которой он относился к классике: Бетховен отвратителен, Чайковский вульгарен, а Шуберт будто бы провел свою жизнь в пабе. Однажды Крейн лишил Лили девственности, и в 17 лет она забеременела. Чтобы скрыть это, мне пришлось быстро покинуть столицу. В России аборты были запрещены, но нелегальных операций было немало, а в начале ХХ века их было еще больше. Лили спас от беременности врач, знавший дядю Лили в железнодорожной больнице под Армавиром. После путешествия по Кавказу Лиля вернулась в Москву и вскоре вышла замуж за Осипа Брика.
После этого Лили часто меняла любовников. Красавицей ее никак нельзя было назвать, но это не мешало ей постоянно находить ухажеров, которые, ко всему прочему, утоляли ее капризы. Из-за внезапно наступившей и не слишком удачной беременности врачи сказали, что миссис Брик больше не сможет иметь детей. Любая другая дама давно бы впала в депрессию, но Лиля ни на минуту не грустила. Она отмахнулась от угрызений совести окружающих и вернулась в мегаполис, где вновь продолжила свои любовные похождения. Она вышла замуж только за Осипа, с которым переехала в Петербург. В своей небольшой резиденции супруги часто устраивали вечеринки для творческой молодежи, среди которых однажды присутствовал Маяковский.
Как утверждала сама Лиля, ее успех в покорении мужских сердец заключается в том, что каждая представительница сильной половины должна чувствовать свою успешность и значимость. Хотя он ничего не добился в жизни, он хочет боготворить даму, которая говорит, что для нее он является воплощением мужественности и символом успеха.
После знакомства с Маяковским в жизни Лили начался новый период. Она сразу поняла, что в лице перспективного деятеля искусства сможет найти того, кто сможет разнообразить ее скучную жизнь. К тому же все оказалось гораздо проще – с первых минут знакомства Владимир Владимирович поддался обаянию Брика, не обращая внимания на то, что последний женат на одной из его подруг.
Муж с пониманием отнесся к новой пассии жены. Между ней и Осипом было заключено негласное соглашение. Суть соглашения заключалась в том, что каждый из супругов живет своей жизнью, но о разводе не может быть и речи. Дошло до того, что какое-то время они жили вместе в одной квартире. Из воспоминаний Лилии Брик: «Я любила заниматься любовью с Осей. Потом мы заперли Володю на кухне. Он рвался на части, хотел прийти к нам, царапался в дверь и плакал”.
Сразу после смерти Владимира Владимировича Лиля развелась с Осипом Бриком и вышла замуж за Виталия Примакова. Когда его расстреляли, Лиля вышла замуж за литературоведа, изучавшего жизнь и творчество Маяковского, — Василия Катаняна. Брик забрал Катаняна из семьи и прожил с ним около сорока лет. Каждый мужчина в ее жизни старался удовлетворить огромный аппетит жены на платья, украшения и изысканные французские духи. Вплоть до самой старости она продолжала завоевывать сердца сильных мужчин, и не стеснялась просить у них денег на поездку и покупку очередного дорогого украшения.
Последние годы жизни Брик провел в роскоши и достатке. Если бы не ее возраст, она могла бы еще долго вскружить голову мужчинам и, воспользовавшись их богатством, совершить серию поездок по Европе и западным странам. Лили умерла в результате приема большой дозы снотворного. Незадолго до этого она сломала шейку бедра, после чего больше не могла вставать с постели. Не желая быть обузой для семьи, она написала предсмертную записку и покончила жизнь самоубийством.
До сих пор неизвестно, действительно ли она любила Маяковского. Сама она не раз говорила, что «когда Володя застрелился, он умер. Когда умер Ося, умерла я. Была ли она образцом для подражания и образцом женственности? желание наклониться и поцеловать ноги этой необыкновенной женщины.