Лилия Толмачёва родилась в селе Руднево, РСФСР, СССР. Заслуженная артистка РСФСР (15.07.1968). Народная артистка РСФСР (11.03.1981). Отец актрисы был репрессирован еще до войны. Первой театральной наставницей была учительница литературы, настоятельно уговорившая ее сыграть в школьном спектакле роль Ларисы в "Бесприданнице" А.Н. Островского. После школы поступила в Школу-Студию МХАТ (мастерская В. Станицына и С. Блинникова). С 1952 по 1955 годы работала в Саратовском ТЮЗе, играла ведущие роли. В 1955 году, выдержав конкурс на роль Нины в спектакле "Маскарад" М.Ю. Лермонтова, поступила в Московский театр имени Моссовета. Одна из инициаторов создания Московского театра «Современник». С 1957 года – актриса театра «Современник».