Hilary Ann Duff commença à tourner dans des spots publicitaires à l'age de 6 ans, influencée par sa sœur qu'elle considérait, selon elle, comme modèle. Elle joua ensuite à 10 ans dans le film Casper meets Wendy avant de se faire remarquer dans une audition pour la série télévisée Lizzie McGuire en 2001, produite par Disney et adaptée en 2003 en film. La série fut un franc succès, mais quand on lui proposa de tourner la suite elle était déjà prise pour un autre film. Sa carrière dans Lizzie McGuire s'arrêta là.
Depuis Casper meets Wendy, elle tourna plusieurs films par an.
Hilary décida de se consacrer, en plus du cinéma, à la musique. Elle avait déjà enregistré pour Disney I Can't Wait, bande originale de la série Lizzie McGuire et a également sorti un album de chansons de Noël : Santa Clause Lane.
Elle se fait connaitre en France en 2004 grâce à son premier vrai album : Metamorphosis qui fut double disque d'or aux États-Unis et ceci seulement deux semaines après sa sortie en 2003. Ensuite, Hilary a sorti 2 autres albums : Hilary Duff, album éponyme, et Most Wanted un album compilant ses plus grands succès, ses chansons préférées, et des remix, mais ces deux albums se sont moins bien vendus que le premier. Aux États-Unis, deux versions de Most Wanted ont été éditées : la version simple avec 13 chansons (dont 3 nouvelles) et la version collector avec 17 chansons (dont 4 nouvelles). Les derniers films dans lesquels elle a joué ayant connu un faible succès commercial (Material Girls n'a rapporté que 11 millions de dollars), elle décida alors de se concentrer sur sa carrière musicale.
En plus du cinéma et de la chanson, Hilary Duff a lancé sa propre marque de vêtements : Stuff By Hilary Duff qu'elle a abandonné depuis.
En 2005, elle a été nommé ambassadrice de Barbie. Elle a également été nommée porte-parole internationale de Kids With a Cause, une association caritative, qu'elle soutient avec sa sœur Haylie Duff, l'acteur américain Micheal Welch et son meilleur ami, Adam Anderson, un mannequin britannique, qui vient en aide aux enfants qui souffrent de la faim, qui sont battus ou encore qui sont malades. En 2005, suite à l'Ouragan Katrina qui a dévasté la Nouvelle-Orléans et la Louisiane, Hilary à fait un don de 200.000 $ à la Croix Rouge américaine. L'année suivante, à l'occasion l'anniversaire de la catastrophe, elle fit du bénévolat en venant en aide à la population locale.
En 2004, elle entama une relation avec Joel Madden, du groupe Good Charlotte, se séparant de lui deux ans et demi plus tard, en novembre 2006.
Ses principaux amis sont Taylor Hoover, Britney Stone, sa sœur Haylie Duff, David Jamoto, Marco Milani, Alex Stamm, Eliana Reyes, Greg Carney.