Лилия Толмачёва родилась в 1932 году. После школы она поступила в Школу-студию МХАТ, которую окончила в 1950 году. В 1955 году Толмачёва играла в Театре им. Моссовета, а через год исполнила одну из главных ролей в спектакле-дебюте Студии молодых актёров «Вечно живые», который дал старт созданию театра «Современник». В этом спектакле актриса играла вместе с Игорем Квашой и Олегом Ефремовым, за которого вышла замуж на 3 курсе Школы-студии МХАТ. С 1956 года Лилия Толмачёва была актрисой «Современника» и одной из его основателей.
В конце 1970-х Толмачёва занялась театральной режиссурой - она поставила спектакли «Фантазии Фарятьева», «Генрих IV», «Всё кончено». Также она исполнила ряд ролей в кино - в лентах «На дне», «Большевики», «Крутой маршрут» и др.
Лилия Толмачёва в спектакле «На дне». Видео с канала YouTube пользователя andrei sergeev