Née à Lyon, Lucile Hadzihalilovic passe son enfance au Maroc jusqu'à l'âge de 17 ans et se passionne très tôt pour le cinéma de genre américain et italien. Elle fait ses études à l'ESEC, puis à l'IDHEC où elle réalise en 1986 son film de fin d'études, "La Première Mort de Nono".

Après cette première réalisation, elle fonde avec Gaspar Noé la société de production cinématographique Les Cinémas de la Zone.

Elle est membre du collectif 50/50 qui a pour but de promouvoir l’égalité des femmes et des hommes et la diversité dans le cinéma et l’audiovisuel.