Родилась в Москве 20 июля 1924 года в семье Моисея (Михаила) Александровича и Иды Израилевны Лиозновых.
Отец Татьяны Лиозновой, по профессии инженер-экономист, в начале войны записался в народное ополчение и в 1941 году погиб.
После школы Татьяна Лиознова поступила в Московский авиационный институт, но проучилась там всего один семестр, а затем поступила во ВГИК (1943) на курс Сергея Герасимова и Тамары Макаровой, где впервые обучались вместе будущие режиссёры и актёры. По окончании пробного семестра педагоги собирались её отчислить, решив, что небольшого жизненного опыта 19-летней девушки недостаточно для профессии режиссёра. Однако Татьяна Михайловна смогла их переубедить, показав свои учебные работы.
В качестве курсовой во ВГИКе Татьяна Лиознова поставила «Кармен» по новелле Проспера Мериме. Присутствовавший на спектакле Александр Фадеев, увидев исполнявшую главную роль Инну Макарову, сказал Герасимову: «Вот вам и Любка Шевцова». Поставленный Лиозновой танец Кармен вошёл впоследствии в фильм «Молодая гвардия» как танец Любки.
Ещё на третьем курсе стала помощницей Герасимова как при постановке спектакля по роману Фадеева в Театре киноактёра, так и в съёмках фильма, где она была режиссёром-практикантом по работе с актёрами.
В 1949 году Лиознова окончила режиссёрский факультет ВГИКа, получив диплом с отличием. Её распределили на киностудию им. М. Горького, но тут же уволили. Некоторое время работала ассистентом режиссёра у своего учителя Герасимова, Бориса Бунеева, была вторым режиссёром в дебютном фильме Станислава Ростоцкого «Земля и люди» (1955).
В 1952 году поставила совместно с Герасимовым и сокурсником Самсоном Самсоновым спектакль «Седая девушка» по пьесе Хэ Цзинчи и Дин Ни в Театре имени Вахтангова. Увлёкшись дальневосточной культурой, совместно с другим сокурсником Владимиром Беляевым Лиознова написала две пьесы по мотивам китайских и корейских народных сказок. Пьеса «Голубая звезда» была поставлена в Московском ТЮЗе; в спектакле играл ещё малоизвестный тогда Ролан Быков.
В 1958 году сняла по сценарию Сергея Герасимова и Татьяны Макаровой свой первый фильм «Память сердца» (Макарова сыграла там главную женскую роль), в 1961-м — «Евдокию» по повести Веры Пановой. В 1963-м вышел фильм о погибших лётчиках-испытателях «Им покоряется небо». Он получил главный приз «Золотое крыло» на Международном фестивале во французском городе Давиле.
В 1965 году Лиознова сняла фильм «Рано утром» (снова по повести Пановой). Началось многолетнее сотрудничество с оператором-постановщиком Петром Катаевым. В 1967-м вышли до сих пор любимые многими лирические «Три тополя на Плющихе». Через год этот фильм получил первую премию на Международном фестивале в Аргентине с мотивировкой: «за реальное отображение событий человеческой жизни, за супружескую верность».
В 1973 году Лиознова закончила почти трёхлетнюю работу над 12-серийным телефильмом «Семнадцать мгновений весны» (по роману Юлиана Семёнова). Вопреки существующему мнению фильм не получил Государственной премии СССР. Госпремии нет ни у Лиозновой, ни у Семёнова, а исполнитель роли Штирлица Вячеслав Тихонов получил её раньше. Премию фильму заменила многолетняя и непрекращающаяся популярность. Его уже почти сорок лет часто показывают по ТВ. Отмечалось, что лучшие фильмы Лиозновой не стареют; они интересны и пожилым людям, и молодёжи.
После «Семнадцати мгновений весны» Лиознова шесть лет не снимала фильмы, углубившись в педагогическую работу. Раньше она обучала студентов ВГИКа в мастерской Герасимова и Макаровой, с 1975-го по 1980 год вместе с Л. А. Кулиджановым руководила новой режиссёрско-актёрской мастерской.
В 1980 году Лиознова сняла вышедший на следующий год двухсерийный телефильм «Мы, нижеподписавшиеся» по одноимённой пьесе Александра Гельмана. Пьеса с успехом шла во многих театрах, но это не остановило Лиознову. Как и обычно, хорош был подбор актёров, чего требовал злободневный и психологический фильм. Гельман говорил о Лиозновой, что «она с артистами нежно беспощадна».
Затем происходит резкий поворот, обращение к новому — кинофильм 1981 года «Карнавал» (вышедший в прокат в следующем году), музыкальная мелодрама с элементами мюзикла, но и с элементами драматизма. Лиознова мастерски обращалась с музыкой (чего стоит сотрудничество с Микаэлом Таривердиевым или использование в «Трёх тополях на Плющихе» песни «Нежность»). Теперь же она пригласила одного из самых ярких композиторов нового поколения — Максима Дунаевского, который подарил фильму неувядаемый хит «Позвони мне, позвони».
Всё началось в 1980-м, когда Лиознова дала задание своим студентам — найти малоизвестное произведение, сделать из него сценарий и отснять несколько эпизодов. Среди принесённых студентами вещей был рассказ Анны Родионовой в старом выпуске журнала «Искусство кино». Об экранизации Лиознова пока не думала, она думала о работах студентов, которые её не устраивали.
Анна Родионова дебютировала в 1977-м как сценаристка фильма «Школьный вальс», оператором которого был Пётр Катаев. Сейчас же она стала соавтором сценария вместе с Татьяной Лиозновой, которая принесла в сюжет немало своего. Лиознова как-то сказала: «„Карнавал“ чем-то похож на историю моей собственной жизни».
Многим казалось и продолжает казаться, что так неожиданно и завершилось творчество Татьяны Лиозновой. Но был и последний её фильм — трехсерийный, телевизионный, под названием «Конец света с последующим симпозиумом», экранизация пьесы американского драматурга Артура Копита. Фильм начали снимать ещё в 1986 году, но умер оператор Пётр Катаев. Работу оператора-постановщика продолжал и заканчивал Михаил Якович. Снимались такие актёры, как Армен Джигарханян, Олег Табаков, Евгений Весник, Олег Басилашвили, Дмитрий Певцов.
Но менялась внешняя политика страны, и антивоенный политический памфлет, обличающий американские власти и вполне подходивший в момент подачи заявки, был уже неугоден. Его показали один раз в начале марта 1987-го и больше не повторяли.
С момента создания Антисионистского комитета советской общественности (АКСО) Татьяна Лиознова принимала участие в его работе (в качестве Члена Комитета).
Член Союза кинематографистов СССР.
В 2008 году приняла участие в подготовке издания книги «Автограф века».
Татьяна Лиознова не была замужем, у неё осталась приёмная дочь.
29 сентября 2011 года умерла в Москве после продолжительной болезни на 88-м году жизни. Татьяна Лиознова похоронена на Донском кладбище рядом с могилой матери.