Lily Tomlin se narodila 1. září roku 1939 v Detroitu otci Guyi Tomlinovi (továrenský dělník) a matce Lillie Mae (asistentka v nemocnici). Její rodiče byli baptisté a do Detroitu se přestěhovali během ekonomické krize. Po maturitě se Lily rozhodla absolvovat přípravná studia medicíny na Wayne State University, jichž ale brzy zanechala a vydala se na uměleckou dráhu. Zpočátku vystupovala ve stand-up comedy show v Detroitu a New Yorku, v roce 1965 se však konečně dočkala prvního vystoupení v TV, a to v THE MERV GRIFFIN SHOW.
Před filmovou kamerou se Lily zaskvěla hned při svém debutu, a to ve filmu NASHVILLE Roberta Altmana. Za roli zpěvačky Linnei Reese dokonce získala nominaci na Oscara. Dalším z uznávaných hereckých vystoupení je rozhodně role výstřední Margot Sperling v detektivce POSLEDNÍ PŘEDSTAVENÍ, za niž obdržela Stříbrného medvěda na MFF v Berlíně. Kvalitních výkonů podala Lily Tomlin během své kariéry bezpočet. V komediích (OD DEVÍTI DO PĚTI; MALÁ, MENŠÍ, JEŠTĚ MENŠÍ) dokázala naplno využít svého talentu a zkušeností a pro mnohé diváky se její role staly nezapomenutelnými.
V současné době se Lily Tomlin věnuje natáčení vzhledem k pokročilejšímu věku jen sporadicky. Pravidelně se objevuje pouze v roli Roberty v seriálu ZOUFALÉ MANŽELKY, krom hraní příležitostně dabuje menší role v animovaných filmech či seriálech. Od roku 2008 Lily píše příspěvky na ženský web wowOwow.com, kde probíhají diskuse o politice, kultuře a "drbech".