Lily Chloe Ninette Thomson 1989. április 5-én született az angliai Esher-ben. Édesapja a színész-zenész Jamie Thomson, nagymamája pedig Helen Horton, aki amerikai színésznő volt. Tanulmányait a tringi Arts Educational School-ban kezdte, majd ezután a Guildhall School of Music and Drama-ra ment tovább Londonba, ahol 2010-ben végzett. Lily játszotta Katrinát a Play Houseban Obi Abili és Marijka mellett és szerepelt a Definitely the Bahamasban is Ian Gelder és Kate Fahy oldalán. Ez egy színdarab, amit Martin Crimp írt és rendezett és a richmondi Orange Tree Theatre-ben adták elő negyvenedik évfordulójuk alkalmából. Egyéb színházi szerepei közt szerepel Desdemona a Cruvible Sheffield színházban Daniel Evans Othellójában, Dominic West és Clarke Peters oldalán. Ő volt még Ella és Taylor a Vernon God Littleben a Young Vic Színházban. Ez a mű Tanya Ronda színpadi adaptációja DBC Pierr Vernon God Little című regényéhez. Legtöbbször Ninát játszotta el a The Seagullban a Southwark Színházban. Szerepelt a 2012-es Fast Girlsben, amit Noel Clark rendezett. A film fiatal női atlétákról szól, ahogyan a világbajnokságon egymás ellen küzdenek. Azelőtt Korrinát alakította a Warner Bros. A titánok haragja című filmjében, melyben feltűnt még Sam Worthington, Rosamund Pike, Toby Kebbell, Bill Nighy, Ralph Fiennes és Liam Neeson is. Televíziós munkálatai közt szerepel egy kisebb szerep: Poppy Az egy call-girl titkos naplója című sorozat negyedik évadában. Feltűnt még a BBC-s Just Williamben és a Downton Abbey harmadik, negyedik és ötödik évadában is, mint egy állandó szereplő, Lady Rose MacClare. 2013 áprilisában beválasztották a Walt Disney Pictures élőszereplős Hamupipőke filmjébe, melynek bemutatójára 2015. március 13-án (hazánkban március 19-én) került sor. A Vouge magazin 2014-es decemberi számához Annie Leibovitz készített róla fotót, amin Hamupipőkeként viseli azt a kék ruhát, amiben a lány részt vesz a bálon. 2013-ban szerepelt a Silent Treatment nevű rövidfilmben. 2014 augusztusában megkapta Elizabeth Bennet szerepét a Büszkeség és balítélet meg a zombik című könyvadaptációban. Az akció-horror Jane Austen eredeti könyvének paródiája, és vegyes fogadtatásban részesült, a jegyirodáknál megbukott. 2014 szeptemberében bejelentésre került, hogy ő alakítja majd Natasha Rostovát az új War and Peace minisorozatban, melyet 2016-ban vetítettek le. Megkapta Júlia szerepét a Garrick Színház Romeo és Júlia feldolgozásában. melynek rendezői Rob Ashford és Kenneth Branagh. Párját ezúttal is Richard Madden alakította. Az előadásról felvétel is készült, így filmként is megtekinthető. 2017-ben Deborát, a főszereplő Bébi szerelmét alakította a Nyomd, Bébi, nyomd! című akciófilmben, valamint Elizabeth Laytont, Winston Churchill személyi titkárát formálta meg A legsötétebb óra című filmben. Ugyanebben az évben jelent meg a The Exception című második világháborús dráma, amiben a száműzött II. Vilmos császárnál szolgáló brit kémet alakítja. 2018-ban főszereplő a The Guernsey Literary and Potato Peel Pie Society cimű filmben, amelyben egy írót alakit aki különleges kapcsolatot alakít ki a Guernsey sziget lakóival a második világháború után, miközben éppen egy regényen dolgozik, amely a háború borzalmait mutatja be. Ebben az évben látható még a Little Woods cimű filmben, amely egy modern western történet, amelyből két nővér, Ollie és Deb történetét ismerhetjük meg. A lányok arra kényszerülnek, hogy törvénytelen munkákat végezzenek azt remélvén, hogy ezáltal jobb lesz az életük. Valamint ugyanebben az évben Ő alakítja a fiatal Donna Sheridant a Mamma Mia! folytatásában, ami a Mamma Mia! Sose hagyjuk abba címet viseli. 2019-ben a Yesterday musicalben alakitotta az egyik főszereplőt, a Rare Beast cimű filmben szintén.