Après une licence d’histoire de l’art puis des études de cinéma à L’IDHEC, Lucile Hadzihalilovic crée avec Gaspar Noé Les cinémas de la Zone avec lesquels ils produisent Carne, seul contre tous de Gaspar Noé et le moyen-métrage La Bouche de Jean-Pierre qu’elle réalise en 1996, et qui est sélectionné à Un certain regard au festival de Cannes. En 2004, elle écrit et réalise Innocence (Prix du meilleur premier film au festival de San Sebastian, Prix du meilleur film et de la meilleure photo au festival de Stockholm…).
Puis, en 2014, Evolution, co-écrit avec Alanté Kavaïté (Prix spécial du jury et Prix de la meilleure photo au festival de San Sebastian, Prix du meilleur réalisateur au festival de Dublin…). Et en 2020, Earwig, co-écrit avec Geoff Cox (Prix spécial du jury au festival de San Sebastian). Elle a également réalisé les court-métrages Good Boys, Nectar et De natura. Par ailleurs, elle participe à l’écriture de différents films dont Enter the Void de Gaspar Noé. Elle a développé le long-métrage La Reine des neiges dans le cadre de la Sélection Annuelle du Groupe Ouest.