Лили Джеймс родилась 5 апреля 1989 года в городе Эшер, графство Суррей, Англия в семье актрисы, Нинетт (в девичестве Мэнтл) и музыканта, Джеймса (Джейми) Томсона. Бабушка Лили, Хелен Хортон, была американской актрисой. Джеймс 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»[3]. В 2011 году она снялась в 8 эпизодах сериала «Тайный дневник девушки по вызову». В 2012 году сыграла роль Коррины в фильме «Гнев титанов». С 2012 по 2015 год снималась в сериале «Аббатство Даунтон». В 2015 году вышел фильм «Золушка», где она сыграла главную роль.
В 2015 и 2016 годах Лили получала «Премию Гильдии киноактёров США» в категории «Лучший актёрский состав в драматическом сериале» за роль в сериале «Аббатство Даунтон». Также в 2017 году Лили снялась в фильме «Малыш на драйве» в роли Деборы. Летом 2018 года вышел фильма «Mamma Mia! 2», в котором Лили играет юную Донну.