Родилась 20 июля 1924 г. в Москве в семье Михаила (Моисея) Александровича и Иды Израилевны Лиозновых. Отец - инженер, во время Великой Отечественной войны участвовал в ополчении, пропал без вести. Мать работала швеей.
После окончания школы Татьяна Лиознова поступила в Московский авиационный институт. После первого семестра забрала документы. В 1943 г. начала учиться на режиссерском факультете Всесоюзного государственного института кинематографии (ВГИК; ныне - Всероссийский государственный институт кинематографии им. С. А. Герасимова). Окончила его с отличием в 1949 г. Выпускница мастерской народных артистов СССР Сергея Герасимова и Тамары Макаровой.
После окончания вуза получила распределение на Киностудию им. М. Горького, однако вскоре была уволена по сокращению штатов, вместе с матерью шила одежду на заказ.
В 1950 г. работала ассистентом режиссера Сергея Герасимова на съемках художественно-документального фильма "Освобожденный Китай".
В 1952 г. вместе с Сергеем Герасимовым и Самсоном Самсоновым поставила в Вахтанговском театре спектакль "Седая девушка" по пьесе Хэ Цзинчжи и Дин Ни.
В 1953 г. Татьяна Лиознова была восстановлена на Киностудии им. М. Горького в качестве художественного руководителя творческо-производственного объединения юношеских фильмов (занимала эту должность до 1982 г.).
В 1953 г. в соавторстве с Владимиром Беляевым написала пьесу "Голубая звезда" по мотивам китайских народных сказок (была поставлена в Московском театре юного зрителя, одну из ролей в ней исполнил малоизвестный на тот момент актер Ролан Быков), в 1957 г. - "Легенда страны утренней свежести" по мотивам корейского фольклора.
С 1957 г. Татьяна Лиознова работала режиссером-постановщиком на Киностудии им. М. Горького. Ее дебютной лентой стала военная драма "Память сердца" (1958). Главные роли в картине исполнили Андрей Попов и Тамара Макарова.
В первой половине - середине 1960-х гг. вышли еще три фильма режиссера: мелодрама "Евдокия" по роману Веры Пановой (1961), драма "Им покоряется небо" (1963) и мелодрама "Рано утром" по повести Веры Пановой (1966).
Широкую известность Татьяне Лиозновой принесла мелодрама "Три тополя на Плющихе" (1968) по рассказу Александра Борщаговского с участием актеров Олега Ефремова и Татьяны Дорониной.
В 1973 г. состоялась премьера 12-серийного телефильма Татьяны Лиозновой "Семнадцать мгновений весны" по роману Юлиана Семенова. Он вошел в число классических картин отечественного кинематографа. Разведчик Максим Исаев (Макс Отто фон Штирлиц) в исполнении Вячеслава Тихонова и группенфюрер СС Генрих Мюллер в исполнении Леонида Броневого стали узнаваемыми экранными образами и персонажами фольклора.
В последующие годы Татьяна Лиознова поставила комедийную мелодраму "Карнавал" на основе рассказа Анны Родионовой и социальную драму "Мы, нижеподписавшиеся" по пьесе Александра Гельмана (обе - 1981), а также телефильм "Конец света с последующим симпозиумом" по произведению американского драматурга Артура Копита (1986).
В 1975-1980 гг. Татьяна Лиознова вместе с народным артистом СССР Львом Кулиджановым руководила режиссерско-актерской мастерской во ВГИКе. Среди их выпускников - режиссер Андрей Эшпай и актер Вадим Андреев.
Татьяна Лиознова скончалась 29 сентября 2011 г. в Москве на 88-м году жизни. Урна с прахом захоронена на столичном Донском кладбище.
Являлась членом Союза кинематографистов РФ.
Народная артистка СССР (1984).
Была награждена орденами Дружбы народов, Трудового Красного Знамени (1969), Октябрьской революции (1982), Почета (1996), "За заслуги перед Отечеством" III и IV степеней (1999, 2009).
Лауреат Государственной премии РСФСР им. братьев Васильевых (1976, за телефильм "Семнадцать мгновений весны") и специального приза президента РФ "За выдающийся вклад в развитие российского кино" (2000).
Замужем не была. Ее названая дочь, Людмила Лисина, занимается сохранением творческого наследия режиссера.