טומלין נולדה בדטרויט שבארצות הברית למשפחה נוצרית-בפטיסטית. הוריה הם לילי מיי (לבית פורד) וגאי טומלין.
למדה תיאטרון באוניברסיטת וויין סטייט, ולאחר מכן עשתה מופעי סטנד-אפ במועדונים בדטרויט ובניו יורק.
טומלין הייתה מועמדת בפעם הרביעית לפרס גלובוס הזהב על הופעתה הקומית בסרט "אני את ואני" בתור המיליונרית האובדנית אדווינה קאטווטר. התפרסמה בנוסף בקומדיה " 9 עד 5" בתפקיד האלמנה העצבנית ויולט ניוסטד.
ב-1991 שיחקה בדרמה העצמאית "החיפוש אחר סימנים של חיים איטיליגנטיים בעולם". טומלין שזכתה בפרס הטוני על אותו התפקיד בגרסת התיאטרון גילמה מספר דמויות, זכתה בפרס הקומדיה האמריקאית והייתה מועמדת לשני פרסי אמי. ב-1992 זכתה טומלין בפרס קריסטל למצוינות נשים בקולנוע, וב-2003 בפרס לוסי למצוינות נשים בטלוויזיה.
טומלין זכתה בפרס השחקנית הקומית בפעם השנייה על תפקידה בסרטו של רוברט אלטמן "תמונות קצרות" בתור המלצרית דורין פיגוט.
שיחקה בסרטיו של דייוויד או. ראסל "אני, אשתי ואמי החורגת" בתפקיד מרי שליצ'טינג אמו הביולוגית של מל קופלין (בן סטילר) ו"אני אוהב האקביז" לצידו של דאסטין הופמן בתור הבלשית ויויאן ג'פה.
הופיעה לצידה של שר בקומדיה "תה עם מוסוליני" בתור הארכאולוגית הלסבית ג'ורג'י רוקוול.
התפרסמה בקומדיות "הילד" בתור ג'נט המזכירה של יועץ התדמית ראס דוריץ (ברוס ויליס), "מחוז אורנג'" בתור יועצת בית ספרו של שון ברומדר וסרטה השלשי עבור רוברט אלטמן "המדריך לחיים בכפר" בתור רונדה ג'ונסון ששרה לצידה של אחותה יולנדה (מריל סטריפ).
ב-2009 השתתפה בסרט "הפנתר הוורוד 2" בתפקיד הסוכנת המיוחדת ייבט ברנג'ר.
בשנת 2004 השתתפה טומלין בסרטו של דייוויד או. ראסל "אני אוהב האקביז", במהלך הצילומים התפתח בין השניים ריב מילולי על עשיית הסרט שכמעט התפתח לפיזי, כאשר טומלין ביקרה את עבודתו של ראסל. הריב בין השניים צולם והועלה לאתר יוטיוב.
טלוויזיה
התחילה את דרכה כשחקנית ב"מופע גארי מור" והתפרסמה לראשונה בסדרה הקומית "Rowan & Martin's Laugh-In", על הופעתה בארבע עונות התוכנית הייתה מועמדת לפרס גלובוס הזהב ולפרס אמי.
טומלין זכתה בארבעה פרסי אמי על הופעותייה בספיישלים הקומיים "לילי" ו"Lily: Sold Out" שנקראו על שמה ו"הספיישל של פול סיימון".
ב-1993 הופיעה בסרט הטלוויזיה "והתזמורת ממשיכה לנגן" הייתה מועמדת לפרס אמי על תפקידה בתור הפיזיקאית סלמה דריץ.
טומלין דיבבה במשך שלוש שנים בסדרת האנימציה "אוטובוס הקסמים" את גברת פריזל וזכתה בפרס אמי היומי.
בשנת 1996 הצטרפה אל שתי העונות האחרונות של הסדרה הקומית "מרפי בראון" בתפקיד המפיקה קיי קרטר שפליי.
הייתה מועמדת לפרס אמי שמיני על תפקיד האורח שעשתה עבור סדרת הדרמה "רצח מאדום לשחור".
משנת 2002 הופיעה בתפקיד דברה פידרר העוזרת האישית של נשיא ארצות הברית ג'וזיה אדוארד "ג'ד" ברטלט (מרטין שין) בסדרת הדרמה "הבית הלבן".
בשנת 2008 הופיעה בשישה פרקים של הסדרה "עקרות בית נואשות" בתור רוברטה סימונס אחותה של קארן מקלאסקי. בשנת 2010 לוהקה טומלין לעונה השלישית של סדרת הדרמה "Damages" לתפקיד מרלין, אם משפחת טובין. בשנים 2011–2015 שיחקה בתפקיד ראשי בסדרה הקומית "טיפול אונליין" ברשת שואוטיים בכיכובה של ליסה קודרו. החל מ-2015 היא משחקת בסדרה גרייס ופרנקי, שם היא מגלמת את דמותה של פרנקי בעוד שג'יין פונדה מגלמת את דמותה של גרייס.
טומלין היא לסבית מוצהרת משנת 2001, והיא מנהלת יחסים בני כ-40 שנה עם התסריטאית ג'יין וגנר. השתיים נישאו ב-2013. יחד איתה זכתה טומלין בפרס אמי על עבודתן, "לילי".