Родилась 2 октября 1966 года в Киеве.

В 1988 году окончила Театральное училище имени Бориса Щукина (курс А.А. Казанской) и в том же году была принята в труппу Театра имени Евгения Вахтангова.

Её первые роли – Мадам Иванова и Манюшка (Зойкина квартира), М-м Дурандас (Два часа в Париже), Рут Келли (Белый кролик), Помпея (Мартовские иды), Скирина и Адельма (Принцесса Турандот) – отмечены уверенным профессионализмом. И в каждой из них она обретала всё новые краски в актерской палитре.

Драматическую доминанту в творчестве актрисы открыл мастер психологического анализа Пётр Наумович Фоменко. В его блистательных «Без вины виноватых» актриса сыграла Отрадину в прологе спектакля.

Главную роль Риты (Цилиндр Э. де Филиппо) – яркую, колоритную, острую на язык красавицу – Вележева играла легко, озорно и азартно.

Коринн в спектакле «Мадемуазель Нитуш» – примадонна оперетты. В этой роли актриса ослепительна, вызывающе красива. Великолепие Коринн в ладу с коварством, а кажущееся порой простодушие – с лукавством. Все эти подробности характера актриса как лаком покрывает победительным шармом примадонны.

В хореографическом спектакле Анжелики Холиной «Берег женщин», где нет спасительного текста, ей удалось выразить все чувства в танце, пластике, без слов передать прощание с любимым, муку горя через полученную похоронку, волю к жизни через глаза с застывшими слезами.

Событием в творческой жизни актрисы стала роль Баронессы Штраль в спектакле Римаса Туминаса «Маскарад». Её героиня, сыгранная чувственно, талантливо заставила трепетать сердца многих зрителей.

Критики единогласно отметили драматический талант актрисы в спектакле Владимира Иванова «Люди как люди» по пьесе М. Горького, где Лидия сыграла роль Софьи – мощно, ярко, пронзительно.

А в спектакле «Обычное дело» её капризная и вездесущая Розмари – убедительна и обаятельна в рамках комедийного жанра спектакля. Она блистательна и в роли Баронессы де Шампиньи в водевиле «Соломенная шляпка».

Большим подарком судьбы сама актриса считает работу в спектакле «Пристань» Римаса Туминаса, где ей посчастливилось выйти на подмостки с Юрием Яковлевым, который и предложил актрисе быть его партнёршей в отрывке «Тёмные аллеи» И. Бунина. Дуэт Юрия Яковлева и Лидии Вележевой в этом спектакле стал образцом настоящего, чарующего актёрского искусства.

В 100-м сезоне Вахтанговского театра  сыграла Баронессу де Шампиньи в постановке Михаила Цитриняка «Соломенная шляпка» Э. Лабиша (2020), главную роль — Джулию Лэмберт в постановке Ольги Субботиной по знаменитому роману С. Моэма «Театр» (2021) и Анну Орочко в аудиоспектакле-променаде «Вахтангов. Путь к Турандот» режиссера Владимира Бельдияна.

В возрасте 13 лет снялась в фильме «Ожидание». После первого детского опыта в 1984 году вновь начала сниматься – короткометражный фильм «День рождения». В 1987 году сыграла одну из главных ролей в сериале «Государственная граница». Затем последовали «Очарованный странник», «Яр», «Московская любовь», «Воровка», «Следствие ведут знатоки». Большой творческой удачей стала роль Настасьи Филипповны в фильме Владимира Бортко «Идиот».

В кино актриса сыграла более 45 ролей: «Будулай, которого не ждут», «Простые истины», «Снежная любовь, или Сон в зимнюю ночь», «Убойная сила», «Русские деньги», «Грех», «Любовь-морковь 2», «Старшая жена», «Учитель музыки», «Август. Восьмого», «Аромат шиповника», «Луна», «Березка», «Вечная жизнь Александра Христофорова», «Седьмая симфония» и др.

В 2012 году  на телеканале «Россия» вела программу «Дело Х. Следствие продолжается» .

С 2010 года преподает в Театральном институте имени Бориса Щукина.

В 2017 году награждена Орденом Дружбы «За заслуги в развитии отечественной культуры и искусства, средств массовой информации и многолетнюю плодотворную деятельность». В 2021 году Лидии Вележевой объявлена Благодарность Президента РФ.