Livia della Rovere s-a născut la Pesaro pe 16 decembrie 1585 și a fost fiica cea mare al lui Ippolito della Rovere, fiul nelegitim al cardinalului Giulio Feltrio della Rovere și a soției sale, Isabella Vitelli, Marchiza dell’Amatrice.
După moartea mamei în timpul nașterii fratelui ei, Giulio, în 1598, Livia și surorile ei au fost plasate în mănăstirea Santa Maddalena din Pesaro, de unde a plecat după ce a fost aleasă de tatăl ei pentru a fi noua mireasă a Ducelui de Urbino, care îi era verișor. Ippolito della Rovere a obținut o dispensă de la Papa Clement al VIII-lea pentru căsătoria dintre Livia și Francesco Maria al II-lea, iar nunta a avut loc pe 26 aprilie 1599 la Casteldurante, într-o ceremonie modestă.
Încă de la început, mariajul a fost complet nefericit. Mireasa de 14 ani nu a fost de acord decizia tatălui său de a o
căsători cu un bărbat suficient de vârstnic pentru a-i fi tată, iar mirele, care avea 50 de ani, făcuse această căsătorie cu unicul scop de a salva familia Della Rovere de la dispariție și de a păstra independența Ducatului de Urbino. El nu i-a arătat niciodată tandrețe sau afecțiune Liviei și, în plus, în curând Francesco Maria al II-lea și socrul său, Ippolito, s-au certat, iar acesta din urmă a fost forțat să părăsească curtea ducală și, în ciuda mai multor încercări ale Liviei de a-i împăca, cei doi s-au dușmănit în continuare.
Dezonoarea izgonirii pe care a suferit-o tatăl ei a dus la izolarea micii ducese, iar odată cu moartea soacrei sale, Vittoria Farnese, cea care își convinsese fiul să se căsătorească cu Livia, pe 13 decembrie 1602, și-a pierdut singurul sprijin. Ajunsă acum la mila soțului ei, tânăra se temea de tot ce putea fi mai rău. Cu toate acestea, atitudinea lui Francesco față de ea s-a schimbat temporar atunci când, în noiembrie 1604, Livia a aflat că este însărcinată, anunțul fiind făcut oficial la curtea ducală în ianuarie 1605.
Pe 16 mai 1605 Livia a născut un fiu, pe Federico Ubaldo della Rovere, iar nașterea acestui mult-așteptat moștenitor masculin a reparat relațiile dintre Livia și Francesco Maria al II-lea pentru o vreme. Curând ducele bătrân și-a pierdut interesul pentru fiul său, lăsându-l în grija afectuoasă a mamei sale câțiva ani, iar în cele din urmă i-a luat copilul Liviei și l-a trimis la Florența pentru a-și continua educația, în timp ce ea a fost practic închisă în Palatul Casteldurante.
Separată de fiul ei, Livia i-a scris mai multe scrisori, una dintre ele, cea din 19 iunie 1616, semnând-o “mama cea
mai iubitoare, care te iubește ca pe propriul ei suflet”. Izolarea față de ambii părinți a avut consecințe nefaste asupra lui Federico Ubaldo, care a devenit un copil cu probleme și mai târziu un adolescent arogant și nesăbuit.
Băiatul s-a căsătorit cu Claudia de Medici în 1621, iar după abdicarea tatălui său tânărul a preluat conducerea Ducatului de Urbino. Sosirea norei sale la curte și nașterea nepoatei, Vittoria della Rovere, pe 7 februarie 1622 au fost o sursă de mare satisfacție pentru ducesă, care a început să-și petreacă mult timp cu fiul ei și familia acestuia. Cu toate acestea, fericirea Liviei nu a durat mult. Soțul, gelos și suspicios din cauza bucuriei ducesei, i-a ordonat să stea departe de Federico și de micuța nepoată.
Federico Ubaldo a murit subit pe 29 iunie 1623, în urma unui atac epileptic și, odată cu moartea sa, destinul Liviei și al Ducatului de Urbino s-au schimbat din nou, pentru că dinastia a rămas fără un moștenitor direct. Tânărul Duce a fost înmormântat la Catedrala Urbino și în octombrie soția lui, Claudia, și fiica ei, Vittoria, s-au mutat la curtea de’ Medici, lăsând-o pe Livia devastată de pierderea nepoatei sale iubite și singură cu soțul ei vârstnic și aproape paralizat, care, după moartea fiului lor, și-a asumat încă o dată titlul ducal.
Francesco Maria al II-lea a murit pe 28 aprilie 1631, iar ducesa a rămas văduvă la vârsta de 46 de ani. Ducatul de Urbino a fost preluat de Vatican și Papa Urban al VIII-lea i-a oferit ca o compensație modestă orașele Rocca Contrada
și Corinaldo, la care s-au adăugat mai târziu Gradara și San Lorenzo în Campo, fostele moșii ale tatălui ei. Ea a fost împiedicată să se apropie de nepoata din Florența, în ciuda bunelor sale relații cu curtea familiei de’ Medici și a invitațiilor repetate de a locui acolo.
Singura excepție de la izolarea ducesei văduve a fost în 1637, la nunta Vittoriei cu Ferdinando al II-lea de Medici, Mare Duce de Toscana. Tânăra va deveni moștenitoarea tuturor 
proprietăților familiei Della Rovere, inclusiv a operelor de artă (curtea ducală din Urbino fusese una dintre cele mai prestigioase din Europa, artiști renumiți, cum ar fi Raphael, Piero della Francesca și Titian bucurându-se de patronajul familiei conducătoare) și a tuturor fondurilor Ducatului.
Livia s-a retras apoi la moșia paternă din orășelul Castelleone di Suasa, în palatul construit acolo de tatăl ei, unde și-a petrecut ultimii ani din viață și unde a murit pe 6 iulie 1641, la vârsta de 55 de ani. Ducesa a fost înmormântată în mănăstirea Corpus Domini din Pesaro, unde sora ei era stareță, conform ultimei dorințe exprimate în testamentul care se păstrează și astăzi în arhivele parohiale din Castelleone.
Proprietară a unor opere artistice impresionante și a averii acumulate de-a lungul anilor de familia ducală, Livia și-a numit nepoata, pe Vittoria della Rovere, ca unică moștenitoare. După dispariția sa, cea mai mare parte a patrimoniului artistic al familiei Della Rovere a fost luat din Urbino și transferat la Florența, în colecțiile familiei de’ Medici, sau la Roma, în Palatele Papale.
