De nombre formal Lily Chloe Ninette Thomson, la actriz Lyly James nació el 5 de abril de 1989, en Surrey, Inglaterra. Hija del actor y músico, James Thompson, Lily se interesó por la actuación desde pequeña. Estudió artes en la Tring Park School for the Performing Arts, para después enrolarse en la Escuela Guildhall de Música y Drama, de Londres, para estudiar actuación y drama.

Con un interesante y productivo recorrido en el teatro, Lily debuto en televisión, en el año 2010, con la serie Just William. Posteriormente participó en la temporada final de la serie Secret Diary of a Call Girl (2011). Su debut en el cine sucede con la cinta Furia de Titanes 2 (2012), para después protagonizar el drama Broken (2012). Es gracias a su papel en esta cinta, que James consigue otro papel importante en su joven carrera, el de Lady Rose MacClare, en la tercera temporada de la popular serie Downton Abbey.

En 2013, Lily obtiene el papel principal para la adaptación de la cinta animada, Ceniciente (2015), dirigida por Kenneth Branagh y compartiendo elenco como Cate Blanchett, Richard Madden y Helena Bonham Carter. En 2016, se une al reparto de la adaptación a la novela de Seth Grahame-Smith, Orgullo, prejuicio y zombies. Lily también ha participado en las cintas Burnt (2015), Baby Driver (2017), Las horas más oscuras (2017) y próximamente aparecerá enel musical Mamma Mia! Here We Go Again (2018)