Mary Jean "Lily'' Tomlin urodziła się 1 września 1939 roku w Michigan (Detroit, USA). Jej rodzicami są pielęgniarka, Lilie Mae i pracownik fabryki, Guy Tomlin. Należeli oni do grupy Południowych Baptystów, którzy w czasie tzw. Wielkiego Kryzysu przenieśli się do Detroit z Paducah (Kentucky, USA). W 1957 roku dziewczyna ukończyła Cass Technical High School. Następnie uczęszczała na Wayne State University, gdzie zainteresowała się teatrem. Po college'u zaczęła robić komediowe stand-upy w klubach w Detroit, a następnie w Nowym Jorku. Po raz pierwszy wystąpiła w telewizji, biorąc udział w "The Merv Griffin Show" w 1965 roku. W 1969 dołączyła do obsady produkcji "
Rowan & Martin's Laugh-In" (nominacja do Złotego Globu w 1972).
W 1976 roku Tomlin otrzymała nominację do Oscara i Złotego Globu za najlepszą rolę drugoplanową w "
Nashville". Później zagrała m.in. w komedii "
Od dziewiątej do piątej", dramacie "
Ostatni seans" (Srebrny Niedźwiedź na festiwalu Berlinale), produkcji
Joela Schumachera "
O kobiecie, co malała" (nominacja do Saturna), romansie "
Dwoje we mnie" (nominacja do Złotego Globu). W 1993 roku otrzymała rolę w dramacie
Roberta Altmana "
Na skróty", za co została uhonorowana Złotym Globem i Pucharem Volpi na Międzynarodowym Festiwalu Filmowym w Wenecji. Kilka lat później Tomlin dołączyła do obsady serialu "
Prezydencki poker" (nakręcono siedem sezonów). Postać Debory Fiderer przyniosła jej trzy nominacje do nagrody Amerykańskiej Gildii Aktorów Filmowych.
W kolejnych latach wystąpiła m.in. w "
Dzieciaku", "
Różowej Panterze 2" czy "
Babce". W 2013 roku Lily otrzymała Emmy za narrację filmu dokumentalnego "
W obronie słoni". W 2015 wraz z
Jane Fondą stworzyła duet w komediowym serialu "
Grace i Frankie", kręconym do 2021 (nominacje do Złotego Globu i Emmy). Prywatnie od 1971 roku jest partnerką życiową scenarzystki i producentki filmowej,
Jane Wagner (w 2013 wstąpiły w związek małżeński).