Она появилась на свет 20 июля 1924 года в Москве в еврейской семье. Отец Моисей Александрович погиб на фронте, и самым близким человеком для Татьяны осталась мать Ида Израилевна, с которой режиссёр прожила под одной крышей до конца её дней. Временами женщина могла быть строгой и открыто вмешивалась в личную жизнь Лиозновой, но именно она любила дочь сильнее кого бы то ни было — бережно вырезала из газет все заметки с именем Тани и часто бывала с ней на съёмочной площадке. Отношения с матерью режиссёр впоследствии отразила в ленте «Карнавал».
Окончив школу, Татьяна Лиознова поступила в авиационный институт, но после первого же семестра поняла, что её место не здесь. Девушка подала документы во ВГИК и успешно сдала вступительные экзамены. Однако педагоги оказались к юной Лиозновой особенно требовательны — 19-летнюю студентку едва не отчислили «за отсутствие необходимого режиссёру жизненного опыта». Тогда она представила на суд мэтров свои учебные работы — и все сомнения по поводу её профпригодности отпали сами собой. Во время учёбы в качестве курсовой работы Татьяна сняла отрывок по произведению Проспера Мериме «Кармен», который позже вошёл в фильм «Молодая гвардия».
Уже на третьем курсе прославленный наставник Сергей Герасимов предложил студентке Лиозновой стать его ассистенткой. Татьяна работала с ним на съёмочной площадке, а вскоре была принята в штат Киностудии имени Горького. Однако, даже не начав работать, оказалась в списке уволенных. Начинающий режиссёр попала под каток всеобщей кампании «по борьбе с безродным космополитизмом», которая носила антисемитский характер. Лишившись места, Лиознова какое-то время работала в швейной мастерской своей матери. Лишь спустя годы её восстановили на студии и доверили должность руководителя объединения юношеских фильмов, которую она занимала на протяжении тридцати лет.
Получив диплом, вчерашняя выпускница оказалась вовлечена в совместные советско-китайские проекты. Лиознова была ассистентом Сергея Герасимова на съёмках фильма «Освобождённый Китай», а затем совместно с тем же Герасимовым и Самсоном Самсоновым поставила на сцене Театра имени Вахтангова пьесу китайских драматургов Хэ Цзинчжи и Дин Ни «Седая девушка». Кроме того в соавторстве с Владимиром Беляевым она написала две пьесы по мотивам китайских и корейских народных сказок.
Первой самостоятельной картиной режиссёра Татьяны Лиозновой стала военная драма «Память сердца», основанная на воспоминаниях английского лётчика Ральфа Чадвика. Сценаристами картины выступили Сергей Герасимов и его супруга Тамара Макарова, которая также исполнила в фильме главную женскую роль. Спустя три года Лиознова попробовала себя в жанре мелодрамы, сняв ленту «Евдокия» по одноимённой повести Веры Пановой, а затем вновь вернулась к военной тематике, поставив драму о лётчиках-испытателях «Им покоряется небо», которая получила первую премию на международном кинофестивале во французском Довиле.
Огромный успех у зрителей имела картина Татьяны Лиозновой «Три тополя на Плющихе». В основу фильма лёг рассказ Александра Борщаговского «Три тополя на Шаболовке», а главные роли исполнили Олег Ефремов и Татьяна Доронина. Мелодрама была отмечена на Всесоюзном кинофестивале в Минске, а в аргентинском городе Мар-дель-Плата получила приз «за реальное отображение событий человеческой жизни и за супружескую верность».
В ранг культового режиссёра Татьяну Лиознову возвёл 12-серийный телефильм «Семнадцать мгновений весны». Лента не сходила с экранов на протяжении сорока лет, фразы из фильма разошлись на цитаты, а о героях в народе слагали анекдоты. На съёмках у режиссёра возник конфликт с автором романа Юлианом Семёновым: Лиознова значительно переделала сценарий и хотела вписать своё имя в титры в качестве сценариста, однако по совету близкого друга и композитора Микаэла Таривердиева отказалась от этой затеи. Титры остались неизменными, а вот отношения с Семёновым и Таривердиевым были испорчены на долгие годы.
После небывалого успеха «Семнадцати мгновений весны» Татьяна Лиознова взяла перерыв на восемь лет, которые посвятила педагогической работе. Её возвращением на экраны стала социальная драма «Мы, нижеподписавшиеся», а вскоре режиссёр решила поэкспериментировать с жанром комедийного мюзикла, сняв ленту «Карнавал» — главная роль в обеих картинах досталась Ирине Муравьёвой. Последний фильм Татьяны Лиозновой увидел свет в 1986 году — детектив «Конец света с последующим симпозиумом» носил яркую антиамериканскую направленность и был показан по телевидению лишь однажды, потеряв актуальность в связи с происходящей в стране перестройкой.
Татьяна Лиознова так и не вышла замуж, хотя мужским вниманием никогда не была обделена. После окончания ВГИКа она некоторое время работала в «Литературной газете», где за молодой коллегой настойчиво пытался ухаживать главный редактор Константин Симонов. Однажды он подвёз сотрудницу до дома и угостил шампанским. Увидев, как дочь выходит из машины немолодого мужчины, мать Лиозновой пришла в ярость и немедленно пресекла их отношения.
На съёмках фильма «Земля и люди» ассистентка Татьяна Лиознова познакомилась с режиссёром Станиславом Ростоцким. Завязался роман, но вскоре после съёмок романтические чувства сошли на нет, зато осталась крепкая дружба.
Одним из консультантов картины Лиозновой «Им покоряется небо» был Герой Советского Союза Василий Колошенко. За романом режиссёра и лётчика наблюдала вся киногруппа, однако и эти отношения закончились: Василий испытывал самолёты, а Татьяна пропадала на съёмках — их графики почти не пересекались.
Красивый роман случился у режиссёра с грузинским актёром Арчилом Гомиашвили. Он осыпал Лиознову цветами и задаривал подарками, казалось, намерения у него самые серьёзные. Однако идиллии пришёл конец, когда режиссёр отказалась отдать поклоннику роль Штирлица.
Последней попыткой устроить личную жизнь для Татьяны Лиозновой стали отношения с физиком и партийным деятелем Владимиром Кириллиным. Они были вместе несколько лет, но до свадьбы дело так и не дошло.
Судьба не подарила Татьяне Лиозновой собственных детей, но почувствовать себя матерью режиссёр всё же смогла. Всю свою нерастраченную любовь она отдала Людмиле — дочери лётчика Василия Колошенко. Родная мать девушки скончалась, когда той едва исполнилось 19 лет, а отец часто пропадал в командировках. С Татьяной Лиозновой у Люды сразу сложились тёплые отношения, а вскоре девушка стала звать её «мамулечкой». И хотя между ними не было кровного родства, в кругу друзей Лиознова представляла названую дочь как свою собственную.
Татьяна Лиознова дожила до 87 лет, но в последние годы страдала от тяжёлой болезни. Она перенесла операцию на головной мозг, затем возникли проблемы с опорно-двигательным аппаратом — Лиознова передвигалась в инвалидном кресле или на ходунках. В последние минуты рядом с ней была дочь Людмила. Режиссёр ушла из жизни 29 сентября 2011 года — после кремации урну с прахом Татьяны Лиозновой захоронили на Донском кладбище в одной могиле с матерью.