Театральная карьера Толмачевой началась с Саратовского ТЮЗа, но вскоре была принята в труппу авторитетного театра им.Моссовета, где сразу стала ведущий актрисой, исполнительницей главных ролей, готовить которые молодой артистке помогали Завадский, Мордвинов, другие корифее театра. Однако, добившись звездного статуса, Толмачева решила круто изменить свою судьбу: неожиданно для многих она покинула успешный театр и ушла к Ефремову создавать полуподпольный "Современник", что и сделала в компании с Галиной Волчек, Игорем Квашей, Олегом Табаковым и Евгением Евстигнеевым.
Дебютом "Современника" стали легендарные "Вечно живые" по пьесе Виктора Розова, среди участников спектакля была и Лилия Толмачева. Затем она играла здесь в "Традиционном сборе" и "Обыкновенной истории", в "На дне" и "Старшей сестре", в "Пяти вечерах" и "Двое на качелях". В 60-70-е годы именно Толмачеву считали "лицом" "Современника", отмечает ИТАР-ТАСС.
С конца 1970-х она занялась режиссурой. В частности, в 1977 году Толмачева, по поручению Галины Волчек, поставила спектакль "Фантазии Фарятьева" Аллы Соколовой со Станиславом Садальским в главной роли.
В 1978 году она поставила "Генриха IV" Луиджи Пиранделло, а в 1980 году, по приглашению Олега Ефремова, - "Все кончено" Эдварда Олби во МХАТе с Марией Бабановой (спектакль был записан для телевидения).
Актриса сыграла несколько ролей в кино, среди самых известных - Нина в фильме "Жизнь прошла мимо" Владимира Басова, Леночка в картине "Шумный день" Георгия Натансона и Валентина Перова в фильме своего бывшего мужа Олега Ефремова "Строится мост".