Лили Хлоя Нинетт Томсон родилась 5 апреля 1989 года в городе Эшер, Суррей, Англия. Училась в школе искусств в Тринге. В 2010 году окончила Гилдхоллскую школу музыки и театра в Лондоне. Периодически играет в нескольких английских театрах. Пользуется псевдонимом Лили Джеймс.
Лили дебютировала на телевидении в 2010 году, снявшись в 4 эпизодах сериала «Просто Уилльям». В 2011 году она снялась в 8 эпизодах сериала «Тайный дневник девушки по вызову». В 2012 году сыграла роль Коррины в фильме «Гнев титанов».
В 2015 году получила «Премию Гильдии киноактёров США» в категории «Лучший актёрский состав в драматическом сериале» за роль в сериале «Аббатство Даунтон