Lily nasceu em Guildford, Inglaterra, filha do músico britânico Phil Collins com a americana Jill Tavelman. Começou a carreira aos 2 anos na curta série da BBC, Growing Pains. Após o divórcio dos pais, ela cresceu em Los Angeles junto com a mãe.
Enquanto concluía o ensino médio, foi escolhida algumas vezes para desfiles e ensaios de grandes marcas, como a Chanel. Durante a juventude, entrou na Universidade do Sul da Califórnia, onde estudou Jornalismo.
Sua vida artística mudou aos 20 anos, quando foi escolhida para atuar nas produções 90210 e Um Sonho Possível (2009). Pouco tempo depois se tornou uma famosa estrela em ascensão protagonizando Espelho, Espelho Meu (2012), Os Instrumentos Mortais: Cidade dos Ossos (2013) e o amado romance Simplesmente Acontece (2015).
Depois de se estabilizar na indústria de Hollywood, partiu para os dramas mais desafiadores, como O Mínimo para Viver (2017), recebendo muitos elogios pelo seu talento e versatilidade.