Лили Иванова родилась в городе Кубрат 24 апреля 1939 года.
Отец будущей певицы, Иван Петров Дамянов, работал чиновником в мэрии, а мать — Мария Петрова Дамянова — была домохозяйкой. В свидельстве крещения Лили записана как Лиляна Иванова Петрова.
В 1959 году Лили окончила медицинское училище в Варне и год работала медсестрой. Её талант проявился в хоре рабочих и началась карьера певицы.

В 1963 году в Румынии вышел первый альбом Ивановой, а свой первый международный приз «Золотой Ключ» она получила в 1966 году в Братиславе. Затем последовали многочисленные победы на других международных конкурсах.
Лили Иванова записала более 600 песен в 35 альбомах, многие из которых стали Золотыми грампластинками в Европе. 
В 1981 году ей присудили почетное звание Народная артистка Болгарии.
В 1997 году Международная ассоциация женщин номинировала её как одну из самых популярных женщин ХХ века, а в 1998 году Лили Иванова получила высший орден фонда Светого Николая Чудотворца (Россия).
11 мая 2006 года она удостоена звезды на болгарской Аллее славы в городе София.
9 января 2009 года Лили Иванова выступила в зале «Олимпия» в Париже. Она единственная певица Болгарии, удостоенная этой большой чести. После концерта она получила предложения по совместной работе от представителей компании «Универсал музик» во Франции.