Она родилась 6 июня 1932 года в селе Руднево ( ныне — Волгоградской области) в семье педагогов. После окончания школы поступила в школу-студию МХАТ на курс Виктора Станицына. С 52-го в течение 3-х лет работала в Саратовском ТЮЗе, потом год в театре Моссовета. С 56-го Лилия Михайловна в «Современнике». Ещё будучи студенткой 3-го курса Школы-студии МХАТ, Лилия Толмачёва вышла замуж за Олега Ефремова. Брак оказался недолгим и уже в 1952-ом распался, но дружеские отношения сохранялись до последних дней жизни Олега Николаевича.
В кино актриса снималась мало, но в тех немногих ролях, что сделала — была великолепна: «Обыкновенная история», «Жизнь Бетховена», «Большевики»… Знакома же кинозрителю по фильму «Шумный день». Настоящее её призвание всё-таки театр — он был её стихией и театральному ремеслу она служила до самозабвения.
Лилия Толмачева в спектакле "На дне"
Лидия Толмачева... тонкая, прозрачная, будто светящаяся лирическая героиня, одна из лучших исполнительниц пьес Розова — её Ирина в «Вечно живых» незабываема. Надя в «Старшей сестре» или Тамара в «Пяти вечерах» Володина, Роксана в «Сирано де Бержерак», королева Мария Антуанетта во «Вдове Капет» Леона Фейхтвангера, Милда в «Крутом маршруте» — галерея созданных ею образов, причем одинаково убедительна и проникновенна была она и в советской и в зарубежной классике.
Как и другие артисты «Современника» — и сама занималась режиссурой, постановщиком была вдумчивым и оригинальным. В родном театре она осуществила спектакль «Фантазии Фарятьева» Аллы Соколовой со Станиславом Садальским в главной роли, а по приглашению Ефремова на Марию Бабанову во МХАТе поставила знаменитую пьесу Эдварда Олби «Всё кончено».
Интервью и видео с этой замечательной актрисой сохранилось совсем немного. Смотрите: Лилия Толмачёва о ТЮЗе