Lily James, fiica actriței Ninette Mantle și a muzicianului James Thomson (care a murit de cancer în 2008), a luat prenumele tatălui ei ca nume de scenă când a aflat că exista deja o actriță pe nume Lily Thomson. Are doi frați, unul mai mare și unul mai mic. Bunica ei paternă, Helen Horton, a fost o actriță americană. Bunica ei maternă era franțuzoaică și, în timpul celui de-al Doilea Război Mondial, a fugit din satul ei de lângă Paris din cauza naziștilor. După ce s-a stabilit în Anglia, s-a căsătorit cu bunicul lui James, ministru în Royal Air Force. La scurt timp după absolvire, James a semnat cu Tavistock Wood Management din Londra. Și-a început cariera în serialul de televiziune britanic Just William (2010), a avut rolul Poppy în al patrulea sezon al serialului Secret Diary of a Call Girl (2011), rolul Lady Rose MacClare în Downtown Abbey. James a apărut și în rolul Lady Rose în finalul serialului. În 2011, ea a jucat rolul Taylor la Young Vic Theatre în adaptarea scenică a romanului Vernon God Little de Tanya Ronder, rolul Ninei în adaptarea modernă a The Seagull la Southwark Playhouse și rolul Desdemonei în producția lui Othello la Crucible Theatre din Sheffield. În 2012, James a jucat rolul Katrina în Play House și rolul Marijka în Definitely the Bahamas, la Teatrul Orange Tree din Richmond, Londra, cu ocazia celei de-a 40-a aniversări a teatrului. James a jucat rolul Korrina în filmul Wrath of the Titans și a apărut în Fast Girls. A avut un rol secundar în serialul dramatic de epocă Downton Abbey (2012-2015), rolul principal în filmul fantastic Cenușăreasa (2015), a interpretat-o pe Natasha Rostova în adaptarea televizată a serialului Război și pace (2016) și a jucat în mai multe filme, inclusiv Mândrie și prejudecată și zombi (rolul Elizabeth Bennet), filmul de acțiune Baby Driver (2017), dramele de epocă Darkest Hour (2017), The Guernsey Literary and Potato Peel Piel Society (2018), The Dig (2021); musicalurile Mamma Mia! Here We Go Again (2018, rolul Donna Sheridan), Yesterday (2019), drama sportivă The Iron Claw (2023). Interpretarea rolului Pamela Anderson din serialul biografic Pam & Tommy (2022) i-a adus nominalizări la Globul de Aur și la un premiu Primetime Emmy. James și-a făcut debutul muzical în film, interpretând în genericul de final piesele Sing Sweet Nightingale, Lavender's Blue, A Dream Is a Wish Your Heart Makes din filmul de animație. James a jucat-o pe Julieta în producția Teatrului Garrick, Romeo și Julieta, în 2016. În 2017, a apărut în mai multe roluri filme importante: Debora, personajul principal Baby, în filmul de acțiune Baby Driver, Elizabeth Layton, secretara prim-ministrului britanic Winston Churchill în filmul dramatic de război Darkest Hour, un agent britanic în filmul dramatic The Exception. În 2019, James a jucat rolul Eva Harrington în piesa All About Eve, la Teatrul Noel Coward din West End, în filmul muzical Yesterday. În 2020, James a susținut rolul celei de-a doua doamne de Winter într-o adaptare a romanului Rebecca de Daphne du Maurier. În 2021, a fost Peggy Piggott în The Dig. În iunie 2023, James a jucat în piesa de teatru Lyonesse, la Teatrul Harold Pinter. În 2023, a jucat rolul Pam Adkisson în The Iron Clow, rolul Josephine Esperanto în filmul italian Finally Dawn. James a jucat în filmul independent Greedy People (2024). În plan personal, ea a avut o relație cu actorul Matt Smith, pe care l-a cunoscut în timp ce lucra în Mândrie și prejudecată și zombi (2014-2019). În 2021, James a început să se întâlnească cu muzicianul și compozitorul american Michael Shuman, membru al trupei rock americane Queens of the Stone Age.
Lily James, dupa numele ei adevarat Lily Chloe Ninette Thomson, s-a nascut in Esher, Surrey, Anglia la data de 5 aprilie 1989. A inceput studiile primare in orasul Tring si mai apoi a studiat in Londra la "Guildhall School of Music and Drama", absolvind in 2010.
Lily a debutat in piese de teatru avand roluri ca "Desdemona" in productia "Othelo", "Katrina" in productia "Play House".
A debutat pe micul ecran in serialul TV "Just William" in rolul lui Ethel Brown.
In 2012 apare pe marile ecrane in productiile "Wrath of the Titans" si "Fast Girls".