Саратовка по рождению, в 1950 году она окончила Школу-студию МХАТ (курс самого В.Я. Станицына и начала свою работу в Саратовском ТЮЗе, но уже в 1955 году стала молодой звездой знаменитого московском театра им. Моссовета. Восхищенный ее талантом Юрий Завадский готовил для нее лучшие роли. Но в 1956 году решительно и не раздумывая она примкнула к новому рискованному делу, которое затеяли ее бывший муж Олег Ефремов (брак их был совсем коротким, студенческим) с товарищами. Ее стать, ее тихая, гордая кротость, ее строгая верность избранным идеалам, ее молчаливый испытующих взгляд навсегда стали одним из символов молодого "Современника". Она принадлежит поколению, для которого этический выбор, само присутствие идеалов в творчестве определяли всю жизненную стратегию.
В ней удивительно соединялись хрипловато-мальчишеский голос с утонченной, грациозной, хрупкой женственностью. Она начала свой путь в "Современнике" вместе с его первым легендарным спектаклем "Вечно живые" по пьесе Виктора Розова. В нем она сыграла Ирину, чей серьезный, полный ответственной и строгой любви взгляд сопровождал самые трудные моменты жизни семьи Бороздиных. Ее последующими блистательными взлетами стали роли глубоких, с затаенной драмой, тонких, любящих и очень стойких женщин. Ее способность к преображению на сцене была удивительной. На глазах менялись ее Тамара в "Пяти вечерах", Надя в "Старшей сестре" А. Володина, Женщина, которую Он любил в "Четвёртом" К. Симонова. Среди ее лучших ролей - Елизавета Александровна в "Обыкновенной истории" Гончарова и Настена в выдающемся спектакле Галины Волчек "На дне", Трубецкая в "Декабристах" Леонида Зорина и Коллонтай в "Большевиках" Михаила Шатрова, Милда в "Крутом маршруте" Евгении Гинзбург.
Но даже в ролях совсем иного свойства, где, казалось бы требуется острый комический дар, она оставалась "адвокатом", глубоко проникая в психологию своих персонажей. Контраст внешнего и внутреннего содержания был для нее обязательным законом. В Агнии из розовского "Традиционного сбора" она могла увидеть за внешне жесткой оболочкой карьеристки большое внутреннее смятение, горечь утраты большой любви. Сложными и яркими представали ее Дама в "Голом короле" Шварца и миссис Хиггинс в "Пигмалионе" Шоу.
Но она могла быть и очень жесткой к своим персонажам. Так ею была сыграна Аркадина из чеховской "Чайки" (1970), эгоистичная молодящаяся актриса, полная самолюбования и легкомыслия.
После ухода Олега Ефремова из "Современника", с конца 1970-х, умная и образованная Толмачева (кстати, Лилия был артистический псевдоним Лидии Михайловны) вплотную занялась режиссурой. В 1977 году, окрыленная режиссерскими успехами Галины Волчек, она поставила спектакль "Фантазии Фарятьева" Аллы Соколовой со Станиславом Садальским в главной роли, в 1978 - "Генриха IV" Луиджи Пиранделло, а в 1980 году, по приглашению Олега Ефремова, - "Всё кончено" Эдварда Олби во МХАТе с Марией Бабановой (спектакль был записан для телевидения).
Лилия Толмачева скончалась в понедельник ночью, после долгой и продолжительной болезни. В июле ей исполнился 81 год. Светлая память выдающейся актрисе, ставшей легендой "Современника".