Horvát Lili 1982-ben született Budapesten. Az ELTE Radnóti Miklós Gyakorló Gimnáziumban érettségizett 2001-ben, majd egy évig a párizsi Université de la Sorbonne Nouvelle – Paris III cinéma szakán tanult. 2002-ben felvették a Színház- és Filmművészeti Egyetem film- és televíziórendező szakára, Gothár Péter és Enyedi Ildikó osztályába. Itt szerzett diplomát 2009-ben, majd 2010 és 2013 között a doktori iskola hallgatója volt. 2005-ben a Hochschule für Film und Fernsehen Konrad Wolf – Potsdam-Babelsberg filmfőiskolán tanult Erasmus-ösztöndíjjal. 2011-ben a berlini Nipkow Programm ösztöndíjasa volt.
Napszúrás című, német–magyar koprodukcióban készült diplomafilmje a szarajevói filmfesztiválon debütált, később számos hazai és nemzetközi díjat nyert. Első nagyjátékfilmje, az ugyancsak magyar–német koprodukcióban készült Szerdai gyerek elnyerte az 50. Karlovy Vary-i Nemzetközi Filmfesztivál East of the West kategóriájának fődíját, és a filmkritikusokból álló zsűri FEDEORA-díját, majd számos további díjjal jutalmazták világszerte.
2016-ban Horvát Lili Csernátony Dóra kreatív producerrel együtt megalakította a Poste Restante filmgyártó vállalatot. A cég első produkciója, Horvát második nagyjátékfilmje, a Felkészülés meghatározatlan ideig tartó együttlétre a 2020-as velencei filmfesztivál Giornate degli Autori versenyszekciójában mutatkozott be. Operatőre a Mindenki című Oscar-díjas filmet is jegyző Maly Róbert(wd). A film a Chicagói Nemzetközi Filmfesztiválon a legjobb új filmrendező kategóriában az Arany Hugo-díjat kapta. A film megkapta Varsóban a FIPRESCI-díjat; a fődíjjal együtt három díjat nyert el a Valladolidi Nemzetközi Filmfesztiválon, és a fődíjat nyerte el a Philadelphiai Filmfesztiválon is. A filmet hivatalosan nevezték az Oscar-díjra a nemzetközi filmek kategóriájában.
A forgatókönyvírás és a filmrendezés mellett Horvát Lili novellákat ír, ezek a Holmi, illetve a 2000 című folyóiratokban jelentek meg. Színészként kisebb szerepekben feltűnt Mundruczó Kornél Fehér Isten című filmjében, valamint Enyedi Ildikó több munkájában is (Európából Európába; Terápia).
Horvát Lili 2020-tól használja így a vezetéknevét – korábbi munkáin Horváth-ként szerepelt.