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 Ansel Elgort oldalán tűnt fel a Nyomd, bébi, nyomd című filmben, mint a pincérnőként dolgozó Deborah.