В пятилетнем возрасте Лиллиан дебютировала на сцене. Когда же она и её младшая сестра Дороти стали достаточно взрослыми, они присоединились к труппе передвижного театра.
Свой путь в кинематограф сёстры начинали со съемок в рекламе и мелодрамах.
В 1912 году Лиллиан познакомилась с Мэри Пикфорд. Именно Мэри порекомендовала Лиллиан и Дороти Дэвиду Гриффиту и способствовала подписанию их контрактов с Байограф.
Лиллиан и Дороти Гиш
Впервые Лиллиан снялась у Гриффита в фильме «Невидимый враг». Позже она снималась во многих фильмах Гриффита: «Рождение нации», «Сиротки бури» (1921), «Нетерпимость», «Сломанные побеги» (1919), «Путь на Восток» (1920).
В 1920 году Лиллиан сняла фильм «Моделируя собственного мужа». После «Байограф» Лиллиан Гиш подписала контракт со студией «Метро-Голдвин-Майер», где её первой картиной стала «Богема» (1926).
В 1928 году Лиллиан ушла из «Метро-Голдвин-Майер» и вернулась в театр. В 1943—1945 году в составе театральной труппы совершила турне по Америке, играя в спектаклях «Трехгрошовая опера», «Песня лютни», «Преступление и наказание» по роману Ф. М. Достоевского, где также были задействованы Долли Хаас и Джон Гилгуд.
Лиллиан оставалась с Гриффитом до конца его жизни, заботясь о нём и его жене, пока Гриффит не умер в 1948 году. В сороковых она снова появилась в некоторых звуковых фильмах («Комедианты» (1967), «Свадьба» (1978) и получила «оскара» за работу в фильме «Поединок на солнце» (1946).
В 1970 году она получила специальный приз киноакадемии за вклад в развитие кинематографа и актёрское мастерство и премии Американского киноинститута за совокупный творческий вклад (1984).
Её последний фильм «Августовские киты» (с Винсентом Прайсом, Бетти Дэвис) вышел в августе в 1987 году, когда ей было 93 года.